一種內(nèi)嵌EEPROM的雙電源數(shù)字電位計(jì)設(shè)計(jì)

羅永波，雋 揚(yáng)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無(wú)錫 214035）

一種內(nèi)嵌EEPROM的雙電源數(shù)字電位計(jì)設(shè)計(jì)

羅永波，雋 揚(yáng)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無(wú)錫 214035）

設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式EEPROM工藝的雙電源數(shù)字電位計(jì)。通過(guò)兩線的I2C總線來(lái)控制電路內(nèi)部EEPROM單元，調(diào)節(jié)數(shù)字電位計(jì)的輸出電阻或電壓。電路采用正負(fù)電源供電，同時(shí)集成了兩路256個(gè)抽頭可變電位計(jì)輸出。由于內(nèi)部集成了EEPROM單元，當(dāng)電路突然掉電后依然保存抽頭設(shè)置信息，重新上電后，自動(dòng)恢復(fù)到掉電前電阻抽頭的設(shè)定位置。該電路采用SMIC 0.18 μm EEPROM工藝設(shè)計(jì)，版圖面積為6.76 mm2，采用Hsim對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行仿真。仿真和測(cè)試結(jié)果表明，該電位計(jì)電路的整體非線性小于±1 LSB，級(jí)間非線性小于±0.5 LSB，輸出電阻溫度系數(shù)小于±100×10-6/℃，EEPROM上電恢復(fù)時(shí)間小于5 ms，可廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)、參數(shù)調(diào)整和信號(hào)處理領(lǐng)域。

數(shù)字電位計(jì)；EEPROM；I2C總線

1 引言

隨著電子系統(tǒng)不斷小型化和精密化的設(shè)計(jì)要求，內(nèi)嵌非易失性存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)的數(shù)字電位計(jì)電路由于具有接口電路簡(jiǎn)單、系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)、輸出線性可靠、溫度穩(wěn)定特性良好、噪聲小、極長(zhǎng)的工作壽命和無(wú)機(jī)械磨損等諸多特點(diǎn)，越來(lái)越被廣泛應(yīng)用在阻抗調(diào)節(jié)、增益調(diào)節(jié)、電機(jī)調(diào)速、音頻控制、工業(yè)精密控制等應(yīng)用領(lǐng)域[1~3]。本文介紹了基于嵌入式EEPROM工藝設(shè)計(jì)的雙電源數(shù)字電位器電路，由于采用了內(nèi)嵌EEPROM單元，可實(shí)現(xiàn)電路掉電后自動(dòng)恢復(fù)存儲(chǔ)信息的功能，并采用正負(fù)溫度補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了輸出電阻溫度系數(shù)小于±100×10-6，符合了目前精密控制領(lǐng)域的設(shè)計(jì)要求。

2 數(shù)字電位計(jì)結(jié)構(gòu)

該數(shù)字電位計(jì)電路主要由4個(gè)子模塊構(gòu)成，分別為電源轉(zhuǎn)換模塊、I2C接口模塊、EEPROM控制模塊、端口輸出模塊。其整體電路功能框圖如圖1所示。

圖1 電路功能框圖

2.1電源轉(zhuǎn)換模塊

由于該數(shù)字電位計(jì)采用正負(fù)雙電源供電，電源電壓范圍位于±2.25～±5.5 V之間，為了避免在電路設(shè)計(jì)中采用高壓MOS管結(jié)構(gòu)，故在電路設(shè)計(jì)中增加了電源轉(zhuǎn)換模塊，該模塊可使邏輯控制電路工作在3.3 V左右的電壓條件下。

圖2 電源轉(zhuǎn)換模塊示意圖

從圖2電源轉(zhuǎn)換模塊示意圖可知，該電路主要由基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、誤差放大器和調(diào)整管等子電路組成。其工作原理是由基準(zhǔn)電壓電路產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)負(fù)電源VSS為2.35 V的電壓，再通過(guò)誤差放大器把Vset端電壓鉗位在一個(gè)合適的電壓，則只要NMOS調(diào)整管的寬長(zhǎng)比足夠大，電源轉(zhuǎn)換電路的輸出端GND1電壓就可以保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的電壓值上。

圖3 電源轉(zhuǎn)換電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

從圖3電源轉(zhuǎn)換電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖可知，其基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路采用包含兩個(gè)串聯(lián)基極-射極電壓的基準(zhǔn)產(chǎn)生器，利用自偏置共源共柵電流鏡進(jìn)行鉗位。采用折疊式的共源共柵運(yùn)算放大器與共源的PMOS管進(jìn)行反饋鉗位，讓Vset端電壓相對(duì)負(fù)電源VSS端維持在4.3 V左右，因此輸出端GND1與Vset端只相差NMOS調(diào)整管的一個(gè)柵源電壓VGS，只要保證NMOS調(diào)整管的寬長(zhǎng)比足夠大，其柵源電壓VGS將接近閾值電壓VTH，可以使GND1端相對(duì)負(fù)電源VSS保持在3.3 V左右。

2.2 I2C接口模塊

I2C接口模塊在數(shù)字電位計(jì)中的主要作用是對(duì)I/O端口接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，并對(duì)接收到的操作指令進(jìn)行驗(yàn)證與轉(zhuǎn)換，并根據(jù)I2C接口模塊接收到的指令，控制電路進(jìn)行讀寫(xiě)或者其他相關(guān)操作。

由于SDA端口為一個(gè)雙向端口，在每個(gè)移位寄存器輸入端都有一個(gè)二選一的MUX電路，從而可以把電路內(nèi)部EEPROM寄存器或者抽頭存儲(chǔ)器組的數(shù)據(jù)從SDA串行輸出到I2C總線上。

2.3 EEPROM控制模塊

EEPROM控制模塊主要由基準(zhǔn)電路、基準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)化電路、振蕩器、電荷泵、邏輯功能控制、BL線壓讀寫(xiě)控制、擦寫(xiě)讀CG與SG電壓控制以及EEPROM存儲(chǔ)單元等子電路組成。存儲(chǔ)單元主要實(shí)現(xiàn)電路斷電后保存電阻抽頭位置信息的功能，通過(guò)對(duì)EEPROM控制模塊存儲(chǔ)單元的擦寫(xiě)操作，可以改變單元內(nèi)部信息，從而改過(guò)抽頭電阻的輸出電阻值。

基準(zhǔn)電路如圖5所示，該子電路主要為振蕩器、比較器及基準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)化電路提供基準(zhǔn)電流，同時(shí)為讀出放大器提供一個(gè)比較電壓，啟動(dòng)速度快，驅(qū)動(dòng)能力大。

電荷泵核心電路為傳統(tǒng)的Dickson結(jié)構(gòu)[4]，采用高壓NMOS管做傳輸管，為七級(jí)電路，在時(shí)鐘信號(hào)的作用下，各級(jí)電壓被不斷提升，在高壓輸出端接串聯(lián)電阻分壓產(chǎn)生一比較電壓，在比較器電路中與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，若高壓超過(guò)設(shè)計(jì)值，比較器電路輸出高電平使能信號(hào)，使高壓電路放電，高壓值下降達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖4 8位串并移位寄存器

圖5 基準(zhǔn)電路結(jié)構(gòu)圖

圖6 電荷泵核心電路結(jié)構(gòu)圖

2.4端口輸出模塊

該雙電源數(shù)字電位計(jì)內(nèi)部包含兩個(gè)數(shù)字電位計(jì)（DCP），每個(gè)DCP總阻值可分成256單元，每個(gè)數(shù)字電位計(jì)由電阻單元和CMOS開(kāi)關(guān)構(gòu)成。電阻分為兩部分，一部分是15個(gè)阻值為16單元的模塊，另一部分則是阻值分別從1到15的單元電阻構(gòu)成。當(dāng)需要生成從1到255的特定阻值時(shí)，可選取m（0~15）個(gè)16單元的阻值和一個(gè)為在n（0~15）的小單元阻值，這樣最終電阻值為：

抽頭寄存器（WRi[7:0]，i=0，1）存儲(chǔ)了抽頭位置的信息，通過(guò)譯碼器該信息可以分別用于控制m和n的值，最終得到電阻值。該數(shù)字電位計(jì)的高端（RHi）和低端（RLi）代表了抽頭相對(duì)位置。當(dāng)抽頭寄存器全部置為0（WRi[7:0]=00h），抽頭將接到低端（RL），輸出電阻為0；相反當(dāng)抽頭寄存器全部置為1（WRi[7:0]=FFh），抽頭將接到高端（RH），輸出電阻為255。當(dāng)WRi的值由小變大時(shí)，抽頭位置會(huì)從RL滑動(dòng)到RH，同時(shí)輸出電阻也將隨之線性變大。

圖7 端口輸出模塊示意圖

3 輸出電阻溫度特性優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了提高該數(shù)字電位計(jì)輸出電阻的溫度特性，減少電路在全溫范圍內(nèi)的溫漂系數(shù)，符合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)高精度的產(chǎn)品趨勢(shì)，在該電路輸出模塊中的輸出電阻單元設(shè)計(jì)中使用了溫度特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了讓輸出電阻溫度系數(shù)滿足±100×10-6/℃的設(shè)計(jì)目標(biāo)，在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有工藝條件下采用正負(fù)溫度系數(shù)補(bǔ)償?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)。在SMIC 0.18 μm EEPROM工藝中，P+Poly_RS（2920×10-6/℃）與P+Poly_RS（SAB）（-163×10-6/℃）兩種電阻模型能最好地匹配溫度系數(shù)、電阻阻值和版圖面積之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。

圖8顯示了一個(gè)單元電阻的原理圖和版圖結(jié)構(gòu)圖，為了仿真得出電阻值，一個(gè)大小為1 mA的直流電流源流過(guò)了該電阻，對(duì)電阻PRA端的電壓采樣，得出圖9所示的仿真波形。從圖9可以明顯計(jì)算出，該單元電阻的溫度系數(shù)約為52×10-6/℃。

4 仿真和測(cè)試結(jié)果

該電路采用SMIC 0.18 μm EEPROM工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，版圖面積為6.76 mm2。采用Hsim對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行仿真，仿真和測(cè)試結(jié)果如圖10所示。仿真和測(cè)試結(jié)果表明，該電位計(jì)電路的整體非線性小于±1 LSB，級(jí)間非線性小于±0.5 LSB，輸出電阻溫度系數(shù)小于±100×10-6，EEPROM上電恢復(fù)時(shí)間小于5 ms，可廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)、參數(shù)調(diào)整和信號(hào)處理領(lǐng)域。

圖8 單元電阻原理圖和版圖結(jié)構(gòu)圖

圖9 單元電阻溫度系數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

圖10 仿真和測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

本文介紹了一種基于EEPROM工藝的雙電源數(shù)字電位計(jì)電路設(shè)計(jì)。電路通過(guò)仿真和測(cè)試驗(yàn)證，其整體非線性小于±1 LSB，級(jí)間非線性小于±0.5 LSB，輸出電阻溫度系數(shù)小于±100×10-6/℃，EEPROM上電恢復(fù)時(shí)間小于5 ms，可以較好地滿足目前電子系統(tǒng)對(duì)高可靠、高精度、低溫漂特性的數(shù)字電位計(jì)產(chǎn)品的需求。

[1] 傅思勇，楊海馬，王建宇，劉瑾，劉翠，戴曙光. 基于IIC總線的數(shù)字式電位計(jì)設(shè)計(jì)[J]. 光學(xué)儀器，2011，6：72-76.

[2] 張劍平. 程控放大器及其精度研究[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，6：1289-1293.

[3] 徐小杰，候振義. 測(cè)量量程在線轉(zhuǎn)換的簡(jiǎn)捷實(shí)現(xiàn)[J]. 電子技術(shù)，2003，2：47-48.

[4] Gray P R. Analysis and design of analog integrated circuits [M]. New York: Wiley, 2000.

A Design of Dual Supply Digitally Controlled Potentiometer Based on EEPROM

LUO Yongbo, JUAN Yang
（China Electronics Technology Group Corporation No.58Research Institute,Wuxi214035,China）

The paper introduces a design of dual supply digitally controlled potentiometer based on EEPROM. The EEPROM cells were controlled through two wire I2C bus,can adjust the digitally controlled potentiometer resistor or voltage output. The potentiometer has dual supply and 256 resistor taps. The potentiometer has non-volatile EEPROM storage of wiper position, so when the device is powered down suddendly, the last value stored in the non-volatile EEPROM memory. When power is restored, the contents of the non-volatile EEPROM memory are recalled and loaded into the corresponding latchs to set wipers to their initial positions. The circuit uses 0.18 μm EEPROM technology, and layout is 6.76 mm2. Hsim is used for simulating. The simulate and test results show that: the integral non-linearity of the circuit is less than ± 1 LSB, the diffenrential non-linearity is less than ±0.5 LSB, the temperature coefficient of output resistors is less than ±100×10-6/℃,the power-on delay is less than 5 ms. This digitally controlled potentiometer can be used in wide variety of applications including control, parameter adjustments, and signal processing.

digitally controlled potentiometer; EEPROM; I2C

TN402

A

1681-1070（2014）10-0011-05

羅永波（1982—），男，浙江臺(tái)州人，畢業(yè)于電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院，現(xiàn)在中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所從事高性能數(shù)?；旌霞呻娐吩O(shè)計(jì)工作。

2014-04-14