2004年9月A版

摘  要：設計了一種為高精度數模轉換器提供偏置的參考電流源。經過流片測試結果表明，該偏置電路能夠很好的工作于所設計的高精度數模轉換器。

關鍵詞：帶隙；偏置；數模轉換器

概述

　　電流源矩陣型數模轉換器采用數字信號來控制電流模式的開關電路，從而實現數字到模擬信號的轉換。在CMOS工藝中，很容易實現開關電流源，并且具有突出的優點:速度快、占用芯片面積小、不需要無源器件。但是，由于工藝參數，外界溫度變化，電源的波動等影響，用于提供偏置、受外界干擾較低的高精度參考電流源在CMOS工藝中卻很難實現，本文采用帶隙電壓源的方法實現了一種為高精度模數轉換器提供偏置的參考電流源。基本思想是使用半導體硅能帶帶隙特有的溫度特性，產生一個受外界溫度影響較小的恒定電壓，然后通過一個外接高精度電阻產生受溫度影響較小的偏置電流源。該電流源用于筆者設計的12位高速電流模式模數轉換器獲得成功。

電流源偏置電路設計

　　電流源偏置電路分為兩部分，第一部分是一個恒定電壓源產生電路，利用硅的禁帶特性得到的一個和外界溫度以及供電電源無關的恒定電壓。第二部分將該電壓信號轉換成電流信號并利用多級電流鏡轉換成數模轉換器電流源矩陣的偏置電流。

帶隙電壓源

　　圖1示出帶隙參考源的基本電路。輸出電壓:

                     (1)

　　其中k和q是與溫度無關的常數。

　　在常溫下dVBE/dT≈-1.5mV/K，所以將VREF對溫度T求導，并令其值為零，通過選擇合適n值，就可以確定R2/R1的值，由于該式中電阻都是以比值(相對值)的形式出現的，所以能夠保證其精確度。然而，上面的計算值只能得到一個比較粗略的值，具體使用時，還需要根據不同的器件模型使用仿真器進行準確的仿真。實際的仿真結果輸出電壓的溫度系數在0℃~100℃溫度范圍內小于50ppm。值得一提的是，VBE對溫度的關系可以更為精確的表示為：

 　　+VBE(Tr)

　　這樣對VREF的微分一定含有溫度的二次項，上面的電路只對其一次溫度系數進行了補償。如果對其進行更高次數的溫度系數補償，將得到更高精度參考電壓源，但在標準CMOS工藝中很難進行二次溫度系數的補償，并且將增加不少設計復雜度。鑒于用于所設計12位模數轉換器其精度已經足夠，所以沒有進行二次溫度系數的補償。另外圖中Q4，M7，M8，M9等管子組成一個基極電流補償電路，用來補償Q1B和Q2B基極電流的損失(射極電流和集電極電流差值)。MSP，MSN，MS組成一個啟動電路，防止M1~M6管子組成的自偏置電流鏡工作在電流全部為零的不正常工作點。

電流源偏置電路

　　如圖2所示，VREF是由帶隙參考源產生的參考電壓信號，它的大小為1.227V，該電壓經過運算放大器，NMOS管和可調節的外接電阻RADJ轉換為固定的電流IREF，該電流值可以通過調節RADJ的大小來改變。后面產生的為模數轉換器提供的偏置電流就是該電流通過一系列電流鏡的作用產生的。由于模數轉換器的電流源采用了共源共柵結構，所以該偏置電路的電流鏡同樣采用共源共柵結構，并且為了提高電流源的過驅動電壓，將MP2的源極接到MP1的柵極，為之提供偏置電壓。而共源共柵管MP2的偏置電壓是由另一支路MP7，MN3，MN4來提供。同樣MN7，MP5，MP6支路和MN6，MP3，MP4支路分別為電流鏡中的NMOS管提供偏置電壓。最后由NM8的漏極出來的電流就是我們得到的參考電流。為了給模數轉換器的電流源提供偏置，還需要一級電流鏡來將NMOS漏極出來的電流轉換成進入PMOS管漏極的電流。來承擔這項任務的是MB1和MB2管，同樣采用了共源共柵結構。由于模數轉換器的電流源數目非常的大，所以為了獲得良好的電流比率，該電流鏡的管子采用16個與前面電流鏡管子寬長比相同的管子并聯，并且，這16個管子將分散于模數轉換器的電流源矩陣中，以減少長距離導線的寄生電阻壓降的影響。管子MN10，MN11為外部電流源的輸入提供了一個接口，通過該接口可以直接由外部電流來提供模數轉換器電流源的電流偏置。

結語

　　電路使用Chartered 0.35mm 2P4M 混合信號工藝庫在Hspice仿真器下仿真得到良好的結果。具體指標參見表1，列舉了電流源偏置電路和帶隙參考電壓源的主要性能指標。圖3是該偏置電路電流隨溫度變化曲線的仿真圖。

　　該電路用于筆者所設計的12位高速數模轉換器的偏置電路，通過兩次流片所得測試結果表明，該偏置電路可以很好的工作于所設計的數模轉換器，達到了設計所需的要求。