用于流水線ADC的可編程參考電壓緩沖器

文/何寧業 劉琦 胡娟

1 引言

參考基準源在集成電路中的應用非常廣泛，并會直接影響這些電路的性能。在流水線AD轉換電路中，參考電壓作為模擬到數字信號轉換時的基準電壓，其精度及穩定度會直接影響整體電路的線性度和動態范圍。

目前各種類型的模數轉換器不僅需要精確的基準參考電壓信號，還需要驅動這些基準信號的輸出緩沖器提供足夠的驅動能力。這是由于在ADC的數據保持過程中需要由參考電壓輸出緩沖器對余量放大器提供足夠的驅動電流，緩沖器的驅動能力會直接影響余量放大器的建立精度。所以ADC的精度和速度越高，對緩沖器驅動能力的要求也越高。

現實中由于工藝非理想特性的存在，會導致所設計參考基準信號的值和實際流片制造出來的基準信號值大小可能會存在一定工藝波動誤差。對于模數轉換器電路來說，這種工藝波動的影響應該盡量控制在最低分辨率以內，由此帶來的誤差必須被調整。因此為實現高速高精度模數轉換器電路，有必要提供一種具有強大驅動能力，同時輸出基準信號值可以采用數字電路微調的可編程參考電壓緩沖電路。

圖1：可編程參考電壓緩沖電路原理圖

2 可編程參考電壓緩沖電路結構

可編程參考電壓緩沖電路如圖1所示。該電路結構類似于LDO電路，以帶隙基準電壓VREF為參考基準，通過改變DAC輸入編碼來調節電壓Vout的輸出范圍，使輸出電壓可以以一個固定步長增加或減小。

當8位模數轉換器（DAC）進入正常工作模式時，控制信號置1， M1管導通。由于運算放大器A的負反饋作用，其正負輸入端電壓相等，即輸出電壓Vout被嵌位在VREF。8位調整碼將會作為8位DAC的控制碼產生一個到地的調整電流Iarray，調整電流Iarray流經電阻R3，由上述原理可得，流經電阻R2上的總電流Itotal和輸出電壓Vout分別為：

由上式可知：

當Iarray=0時，

當Iarray≠0時，

其中，Iarray表示DAC產生的調整電流。

下面將具體分析Iarray。該模塊中Iarray受控于8位DAC模塊的輸入值。為了避免高位與低位電流不匹配（高位電流過高，最高位為最低位的27倍），故使高三位為二進制碼轉溫度計碼，低五位仍為二進制碼。低五位NMOS管的寬呈遞增關系，而高三位轉成七位溫度計碼以后，NMOS管的寬保持不變，這七位權重相同，其真值表如表1所示。

其中設高三位輸入分別為X，Y，Z，七位溫度計碼分別y7,y6,y5,y4,y3,y2,y1。則由真值表作卡諾圖可得到邏輯關系如下：

表1：高三位轉二進制碼真值表

表2：可編程參考電壓緩沖器仿真結果

DAC電路主要有兩路電流組成。I0表示最小的附加電流。I1為高3位轉溫度計碼得到的電流，七位權重一致。

輸出調整電流如公式（6）所示，其中表示低5位的控制端：

當DAC輸入8位編碼為11111111H，則輸出調整電流為：

緩沖電路輸出電壓：

如此一來，電阻R2上疊加一個電壓量?？梢酝ㄟ^控制8位輸入調整碼，來改變疊加的電壓量，以實現改變輸出基準電壓的目的。輸出基準電壓信號Vout在經過電容C1去耦濾波后，最終得到經編程調整后的輸出基準電壓信號。

3 仿真結果

利用Hspice軟件對本參考電壓緩沖電路進行仿真，其帶隙基準電壓VREF=1.215V。

表2給出了對應三種不同輸入編碼，得到不同的輸出電壓對比。由表2可知，當輸入編碼改變，輸出參考電壓也隨之按固定步長增加，可通過計算得出單步長為1.15mV。由此可證明所設計的可編程緩沖電路滿足模數轉換器的性能要求。

4 結語

流水線ADC是當前實現高速、高精度ADC的一種最主要的結構。而參考電壓緩沖器是流水線ADC的重要模塊。本文采用可編程技術，設計了一個可以隨場合需要按固定步長增加或減小的參考電壓緩沖器。由模塊仿真結果表明，所設計的緩沖電路特性完全符合要求，非常適合于流水線ADC應用。

參考文獻

[1]陳亮.應用于高速高精確度流水線ADC參考電壓緩沖器[J].太赫茲科學與電子信息學報,2016,14(01):131-135.

[2]陳珍海,于宗光,張鴻.高速低功耗電荷域流水線模數轉換器設計[M].北京:電子工業出版社,2015.

[3]陳珍海,于宗光,李現坤,魏敬和,黃嵩人,蘇小波.用于16 bit 100MS/s ADC的高精度參考電壓產生電路[J].西安電子科技大學學報,2017,44(03):127-132.

[4]馮偉,戴宇杰,張小興,呂英杰.一種自給基準參考電壓的前置穩壓器設計與研究[J].南開大學學報,2016,49(03):59-64.

[5]胡曉宇,周玉梅,王晗,沈紅偉,戴瀾.12位100MS/s流水線AD轉換器的參考電壓緩沖器[J].微電子學,2008,38(01):133-144.