高精度电流导引型ADC电流源偏置电路设计

摘   要：设计了一种为高精度数模转换器提供偏置的参考电流源。经过流片测试结果表明，该偏置电路能够很好的工作于所设计的高精度数模转换器。

概述

电流源矩阵型数模转换器采用数字信号来控制电流模式的开关电路，从而实现数字到模拟信号的转换。在CMOS工艺中，很容易实现开关电流源，并且具有突出的优点:速度快、占用芯片面积小、不需要无源器件。但是，由于工艺参数，外界温度变化，电源的波动等影响，用于提供偏置、受外界干扰较低的高精度参考电流源在CMOS工艺中却很难实现，本文采用带隙电压源的方法实现了一种为高精度模数转换器提供偏置的参考电流源。基本思想是使用半导体硅能带带隙特有的温度特性，产生一个受外界温度影响较小的恒定电压，然后通过一个外接高精度电阻产生受温度影响较小的偏置电流源。该电流源用于笔者设计的12位高速电流模式模数转换器获得成功。

电流源偏置电路设计

电流源偏置电路分为两部分，第一部分是一个恒定电压源产生电路，利用硅的禁带特性得到的一个和外界温度以及供电电源无关的恒定电压。第二部分将该电压信号转换成电流信号并利用多级电流镜转换成数模转换器电流源矩阵的偏置电流。

图1  带隙参考电压源电原理图

图2高精度模数转换器电流源偏置电路

图3电流源偏置电路输出电流随温度变化图

带隙电压源

图1示出带隙参考源的基本电路。输出电压:

                     (1)

其中k和q是与温度无关的常数。

在常温下dVBE/dT≈-1.5mV/K，所以将VREF对温度T求导，并令其值为零，通过选择合适n值，就可以确定R2/R1的值，由于该式中电阻都是以比值(相对值)的形式出现的，所以能够保证其精确度。然而，上面的计算值只能得到一个比较粗略的值，具体使用时，还需要根据不同的器件模型使用仿真器进行准确的仿真。实际的仿真结果输出电压的温度系数在0℃~100℃温度范围内小于50ppm。值得一提的是，VBE对温度的关系可以更为精确的表示为：

 +VBE(Tr)

这样对VREF的微分一定含有温度的二次项，上面的电路只对其一次温度系数进行了补偿。如果对其进行更高次数的温度系数补偿，将得到更高精度参考电压源，但在标准CMOS工艺中很难进行二次温度系数的补偿，并且将增加不少设计复杂度。鉴于用于所设计12位模数转换器其精度已经足够，所以没有进行二次温度系数的补偿。另外图中Q4，M7，M8，M9等管子组成一个基极电流补偿电路，用来补偿Q1B和Q2B基极电流的损失(射极电流和集电极电流差值)。MSP，MSN，MS组成一个启动电路，防止M1~M6管子组成的自偏置电流镜工作在电流全部为零的不正常工作点。

电流源偏置电路

如图2所示，VREF是由带隙参考源产生的参考电压信号，它的大小为1.227V，该电压经过运算放大器，NMOS管和可调节的外接电阻RADJ转换为固定的电流IREF，该电流值可以通过调节RADJ的大小来改变。后面产生的为模数转换器提供的偏置电流就是该电流通过一系列电流镜的作用产生的。由于模数转换器的电流源采用了共源共栅结构，所以该偏置电路的电流镜同样采用共源共栅结构，并且为了提高电流源的过驱动电压，将MP2的源极接到MP1的栅极，为之提供偏置电压。而共源共栅管MP2的偏置电压是由另一支路MP7，MN3，MN4来提供。同样MN7，MP5，MP6支路和MN6，MP3，MP4支路分别为电流镜中的NMOS管提供偏置电压。最后由NM8的漏极出来的电流就是我们得到的参考电流。为了给模数转换器的电流源提供偏置，还需要一级电流镜来将NMOS漏极出来的电流转换成进入PMOS管漏极的电流。来承担这项任务的是MB1和MB2管，同样采用了共源共栅结构。由于模数转换器的电流源数目非常的大，所以为了获得良好的电流比率，该电流镜的管子采用16个与前面电流镜管子宽长比相同的管子并联，并且，这16个管子将分散于模数转换器的电流源矩阵中，以减少长距离导线的寄生电阻压降的影响。管子MN10，MN11为外部电流源的输入提供了一个接口，通过该接口可以直接由外部电流来提供模数转换器电流源的电流偏置。

结语

电路使用Chartered 0.35mm 2P4M 混合信号工艺库在Hspice仿真器下仿真得到良好的结果。具体指标参见表1，列举了电流源偏置电路和带隙参考电压源的主要性能指标。图3是该偏置电路电流随温度变化曲线的仿真图。

该电路用于笔者所设计的12位高速数模转换器的偏置电路，通过两次流片所得测试结果表明，该偏置电路可以很好的工作于所设计的数模转换器，达到了设计所需的要求。