用于流水線ADC的可編程參考電壓緩沖器

文/何寧業(yè) 劉琦 胡娟

1 引言

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

目前各種類型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器不僅需要精確的基準參考電壓信號，還需要驅(qū)動這些基準信號的輸出緩沖器提供足夠的驅(qū)動能力。這是由于在ADC的數(shù)據(jù)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(qū)動電流，緩沖器的驅(qū)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(qū)動能力的要求也越高。

現(xiàn)實中由于工藝非理想特性的存在，會導(dǎo)致所設(shè)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(shù)轉(zhuǎn)換器電路來說，這種工藝波動的影響應(yīng)該盡量控制在最低分辨率以內(nèi)，由此帶來的誤差必須被調(diào)整。因此為實現(xiàn)高速高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路，有必要提供一種具有強大驅(qū)動能力，同時輸出基準信號值可以采用數(shù)字電路微調(diào)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(jié)構(gòu)

可編程參考電壓緩沖電路如圖1所示。該電路結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)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(shù)轉(zhuǎn)換器（DAC）進入正常工作模式時，控制信號置1， M1管導(dǎo)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(diào)整碼將會作為8位DAC的控制碼產(chǎn)生一個到地的調(diào)整電流Iarray，調(diào)整電流Iarray流經(jīng)電阻R3，由上述原理可得，流經(jīng)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(chǎn)生的調(diào)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(zhuǎn)溫度計碼，低五位仍為二進制碼。低五位NMOS管的寬呈遞增關(guān)系，而高三位轉(zhuǎn)成七位溫度計碼以后，NMOS管的寬保持不變，這七位權(quán)重相同，其真值表如表1所示。

其中設(shè)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(guān)系如下：

表1：高三位轉(zhuǎn)二進制碼真值表

表2：可編程參考電壓緩沖器仿真結(jié)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(zhuǎn)溫度計碼得到的電流，七位權(quán)重一致。

輸出調(diào)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(diào)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(diào)整碼，來改變疊加的電壓量，以實現(xiàn)改變輸出基準電壓的目的。輸出基準電壓信號Vout在經(jīng)過電容C1去耦濾波后，最終得到經(jīng)編程調(diào)整后的輸出基準電壓信號。

3 仿真結(jié)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(yīng)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(shè)計的可編程緩沖電路滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能要求。

4 結(jié)語

流水線ADC是當前實現(xiàn)高速、高精度ADC的一種最主要的結(jié)構(gòu)。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(shù)，設(shè)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(jié)果表明，所設(shè)計的緩沖電路特性完全符合要求，非常適合于流水線ADC應(yīng)用。

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