許超，吳葉，常偉，李珂

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無錫 214035）

1 引言

隨著現(xiàn)代通信系統(tǒng)的發(fā)展，A/D 和D/A 轉(zhuǎn)換器對(duì)于精度的要求越來越高，基準(zhǔn)電壓源作為其中重要的組成部分，其精度對(duì)A/D 和D/A 電路的性能有很大影響[1]。傳統(tǒng)連續(xù)時(shí)間帶隙基準(zhǔn)受運(yùn)算放大器（運(yùn)放）輸入失調(diào)電壓的影響較大，加大了電路的設(shè)計(jì)難度[2-3]，采用開關(guān)電容電路的離散時(shí)間帶隙基準(zhǔn)可以避免運(yùn)放失調(diào)電壓帶來的影響[4]，增加輸出級(jí)也可以解決開關(guān)電容基準(zhǔn)電壓輸出隨開關(guān)周期性輸出的問題[5]。

在芯片生產(chǎn)過程中，制造工藝的不確定性會(huì)導(dǎo)致器件不匹配，基準(zhǔn)電壓的偏移無法避免[5-6]，因此基準(zhǔn)電壓修調(diào)技術(shù)一直是研究的重要方向，基準(zhǔn)電壓修調(diào)技術(shù)對(duì)于節(jié)約芯片成本有著重要的意義。目前常用的修調(diào)校正技術(shù)包括激光熔絲修調(diào)、電子熔絲修調(diào)和寄存器修調(diào)等, 根據(jù)應(yīng)用選擇不同的修調(diào)方式可以極大地節(jié)約電路成本[7-8]。

隨著深亞微米CMOS 工藝的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外已設(shè)計(jì)出多種基準(zhǔn)電壓源結(jié)構(gòu)[9-10]，開關(guān)電容基準(zhǔn)電壓源也被應(yīng)用于多種高精度A/D、D/A 轉(zhuǎn)換器芯片中，但是工藝偏差對(duì)基準(zhǔn)電壓的精度仍然存在較大的影響。本文將熔絲修調(diào)技術(shù)應(yīng)用于高精度開關(guān)電容基準(zhǔn)電壓源中，可在中測(cè)階段通過熔絲修調(diào)技術(shù)消除工藝偏差，有效降低了芯片的生產(chǎn)成本。

2 輸出可調(diào)開關(guān)電容基準(zhǔn)電壓源的架構(gòu)

本研究設(shè)計(jì)的基于熔絲修調(diào)的開關(guān)電容基準(zhǔn)電壓源結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其主要包括偏置電路、熔絲修調(diào)放大電路以及輸出級(jí)電路等。偏置電路提供一個(gè)與電源無關(guān)的偏置電壓V1，中間的放大電路將V1放大，產(chǎn)生隨時(shí)鐘周期變化的電壓V2，隨后輸出級(jí)電路輸出穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。半導(dǎo)體制造工藝中非理想因素會(huì)導(dǎo)致輸出的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生偏差，因此本文設(shè)計(jì)了基準(zhǔn)微調(diào)電路，采用熔絲修調(diào)電阻實(shí)現(xiàn)，電路與電容C1并聯(lián)，通過修調(diào)C1改變輸出的基準(zhǔn)電壓。

圖1 輸出可調(diào)的開關(guān)電容基準(zhǔn)電壓源結(jié)構(gòu)

2.1 熔絲修調(diào)放大電路的結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)電壓源放大電路包含運(yùn)放、模擬開關(guān)TG2～TG7、電容C1～C8、基準(zhǔn)微調(diào)電路等。模擬開關(guān)受時(shí)鐘Φ1和Φ2控制，放大電路工作過程分為跟隨和放大兩個(gè)階段，工作原理如圖2 所示。

圖2 基準(zhǔn)電壓源放大電路的工作原理

在Φ1相位中，Φ1為高電平，Φ2為低電平，TG2、TG3、TG4、TG7導(dǎo)通，TG5、TG6截止，等效電路如圖2（a）所示，輸出電壓V2與V1相等，因此電容C1～C4上的總電荷為0 C，電容C5～C8上的總電荷Q1為：

在Φ2相位中，Φ1為低電平，Φ2為高電平。開關(guān)導(dǎo)通情況與Φ1相位相反，等效電路結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示，電路工作在放大狀態(tài)，C1為采樣電容，C2、C3為反饋電容。開關(guān)切換的瞬間，電容兩端電壓不會(huì)發(fā)生突變，運(yùn)放反向端的電壓仍為V2，所有電容上的總電荷Q1′為：

根據(jù)電荷守恒原理，整理可得：

從式（3）可以看出，通過調(diào)節(jié)C1的值，可以對(duì)V2進(jìn)行微調(diào)，得到準(zhǔn)確的基準(zhǔn)電壓。

為了實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)輸出可調(diào)功能，本研究設(shè)計(jì)了基準(zhǔn)微調(diào)電路，共設(shè)置了8 個(gè)基準(zhǔn)電壓修調(diào)范圍，基準(zhǔn)微調(diào)電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 基準(zhǔn)微調(diào)電路結(jié)構(gòu)

基準(zhǔn)微調(diào)電路由熔絲電阻、譯碼器電路、開關(guān)以及電容組成，A、B 端口連接電容C1兩端。電阻R2、R4和R6采用熔絲電阻，兩電阻之間通過測(cè)試端口連接外部，通過外部端口控制熔絲電阻是否熔斷，從而改變N1、N2、N3節(jié)點(diǎn)的電壓。熔絲斷開時(shí)，N1、N2、N3為高電平，反之，N1、N2、N3為低電平。通過改變譯碼器輸入端的高低電平改變輸出，通過輸出電平控制開關(guān)的狀態(tài)。

當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，修調(diào)電容與C1并聯(lián)，改變電容C1的大小，可以修調(diào)基準(zhǔn)電壓。

2.2 輸出級(jí)電路結(jié)構(gòu)

由上述分析可知，基準(zhǔn)電壓源中間的放大電路只有放大功能，且在Φ1相位中，V2會(huì)隨著V1下降，無法在連續(xù)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。因此，在本電路中設(shè)計(jì)了輸出級(jí)，保證連續(xù)時(shí)間內(nèi)具有穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓輸出。輸出級(jí)電路結(jié)構(gòu)見圖1，輸出級(jí)電路受雙向非交疊時(shí)鐘控制，具有保持和放大兩個(gè)階段，其等效電路分別如圖4（a）和圖4（b）所示。

圖4 輸出級(jí)工作原理

在Φ1相位中，TG9、TG10導(dǎo)通，輸出級(jí)與中間級(jí)電路斷開，在本設(shè)計(jì)中，電容C11較大，Vout保持上個(gè)周期的電壓不變，開關(guān)電容積分電路的等效電路如圖4（a）所示，所有電容的總電荷Q2為：

在Φ2相位中，TG8、TG11導(dǎo)通，開關(guān)電容積分電路的等效電路如圖4（b）所示。第二級(jí)輸出電壓V2給輸出級(jí)電路充電，電容C9、C10、C11中的電荷為Q2′：

根據(jù)電荷守恒定律，聯(lián)立式（4）（5）可得：

分析輸出級(jí)的工作原理和傳遞函數(shù)，可知在Φ2相位中，V2給電容充電，電容轉(zhuǎn)移到輸出端，Vout增加，在Φ1相位中，Vout保持上個(gè)周期的電壓不變，最終輸出基準(zhǔn)電壓成階梯狀增大。輸出級(jí)電路在穩(wěn)定后可以實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓Vout。

3 測(cè)試結(jié)果

本研究采用0.5 μm CMOS 工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)流片。對(duì)開關(guān)電容基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行仿真和實(shí)際測(cè)量，結(jié)果如圖5 所示。從圖5 可以看出，仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果一致，基準(zhǔn)電壓從0.662 V 開始呈階梯狀上升，經(jīng)過558 μs后穩(wěn)定在2.355 V。在實(shí)際應(yīng)用中，基準(zhǔn)電壓接口處外接100 nF 的電容，基準(zhǔn)電壓從0.662 V 開始上升，6 ms后穩(wěn)定在2.355 V，符合設(shè)計(jì)要求?；鶞?zhǔn)電壓可調(diào)范圍為2.316～2.395 V，如表1 所示。

表1 熔絲修調(diào)基準(zhǔn)電壓值

圖5 基準(zhǔn)電壓仿真與測(cè)試結(jié)果

5 V 電源電壓下，基準(zhǔn)電壓隨溫度的變化范圍如圖6 所示。在-40～80 ℃的溫度范圍內(nèi)，基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)為19.46×10-6/℃。在-55～125 ℃的溫度范圍內(nèi)，基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)為33.5×10-6/℃。表2 為相關(guān)文獻(xiàn)中的開關(guān)電容基準(zhǔn)源與本基準(zhǔn)源的參數(shù)對(duì)比，結(jié)果顯示，在-40～80 ℃的溫度范圍內(nèi)，本文提出的開關(guān)電容基準(zhǔn)電壓源的溫度系數(shù)較低。

表2 基準(zhǔn)電壓源參數(shù)對(duì)比

圖6 基準(zhǔn)電壓隨溫度變化曲線

4 結(jié)論

本研究基于0.5 μm CMOS 工藝設(shè)計(jì)了一種輸出可調(diào)的高精度開關(guān)電容基準(zhǔn)電壓源。首先采用熔絲修調(diào)技術(shù)，在中測(cè)階段調(diào)節(jié)輸出電壓，降低制造工藝中非理想因素的影響，從而降低電路的制造成本；其次，采用開關(guān)電容電路，避免了運(yùn)放輸入失調(diào)電壓的影響，提高了基準(zhǔn)精度；最后，增加了輸出級(jí)電路，保證了連續(xù)時(shí)間內(nèi)基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定輸出。該基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓為2.355V，熔絲修調(diào)范圍為2.316～2.395 V。在-40～80 ℃的溫度范圍內(nèi)，基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)為19.46×10-6/℃。在-55～125 ℃的溫度范圍內(nèi)，基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)為33.5×10-6/℃。測(cè)試結(jié)果表明，該電路具有基準(zhǔn)電壓可修調(diào)、溫漂低等特點(diǎn)，可以應(yīng)用在高精度A/D、D/A 轉(zhuǎn)換器及音頻編解碼器芯片中。