一种用于高速高精度ADC的电压基准源设计
- 格式:doc
- 大小:216.00 KB
- 文档页数:5
ads8681 片上基准电压1.引言1.1 概述概述在实际的电子设备中,为了能够精确地采集和测量信号,需要使用到高精度的模数转换器(ADC)。
ADS8681芯片作为一款高精度的模数转换器,具有出色的性能和功能,因此受到了广泛的应用和关注。
本文将介绍ADS8681芯片的一项重要特性——片上基准电压。
片上基准电压作为芯片的参考电压,直接影响着模数转换的准确性和稳定性。
理解片上基准电压的重要性,有助于我们充分发挥ADS8681芯片的优势,并在实际应用中取得更好的性能。
接下来的章节将依次介绍ADS8681芯片和片上基准电压的相关知识。
我们将详细讲解ADS8681芯片的特点和性能,并阐述片上基准电压在模数转换中的作用。
最后,我们将对ADS8681芯片和片上基准电压进行总结,并重点强调片上基准电压的重要作用。
通过阅读本文,读者将能够全面了解ADS8681芯片和片上基准电压的相关知识,并在实际应用中正确地配置和使用该芯片,从而提高系统的精确度和稳定性。
接下来,我们将开始介绍ADS8681芯片的详细信息。
1.2文章结构1.2 文章结构本文将分为以下几个部分进行讨论。
首先,将对ADS8681芯片进行介绍,包括其基本信息、主要特点和应用领域。
然后,我们将对片上基准电压的重要性进行探讨,分析其在电路设计中的作用和影响。
接下来,我们将总结ADS8681芯片的特点,并重点强调片上基准电压的作用。
最后,文章将给出结论,概括本文所阐述的内容,并对ADS8681芯片和片上基准电压的未来发展进行展望。
通过以上的结构,读者将能够全面了解ADS8681芯片和片上基准电压的相关知识,并深入了解其在实际应用中的价值和意义。
1.3 目的在ADS8681芯片设计和应用中,了解片上基准电压的重要性非常重要。
本文的目的是介绍片上基准电压带来的优势和作用,以及如何正确地使用和调整片上基准电压。
通过本文的阐述,读者将能够深入理解片上基准电压在ADS8681芯片中的作用机制,并能够灵活地应用到实际的系统设计中。
ADC中高精度CMOS基准电源的设计4青岛展芯微电子科技有限公司摘要:本论文针对ADC中高精度CMOS基准电源的设计进行研究。
通过对现有研究进行综述,并提出针对高精度CMOS基准电源的设计思路。
论文详细介绍了电路的拓扑结构、器件选型及布局等方面的实现。
借助仿真软件进行系统仿真,并对包括电压稳定度、温度稳定度、功耗、噪声等指标的仿真结果进行分析。
关键词:ADC;CMOS基准电源;高精度;电路设计;仿真分析一、研究背景和意义1.CMOS基准电源的重要性在模拟数字转换器(ADC)电路中,基准电源是确保ADC精度和性能的关键因素之一。
基准电源提供了稳定的参考电平,用来确定模拟电压与数字码之间的对应关系。
CMOS基准电源由于其低功耗、高精度和低噪声等优点,成为ADC设计中不可或缺的组成部分。
首先,CMOS基准电源具有低功耗的特性,可以降低整个系统的能耗。
这对于需要长时间运行或电池供电的应用非常重要,可以延长设备的使用寿命,并降低维护成本。
其次,CMOS基准电源具有高精度的特点,能够提供稳定且准确的参考电平。
这对于ADC的精准采样和转换是至关重要的。
高精度的基准电源可以减小ADC的非线性和偏差,从而提高转换的准确性和重现性。
此外,CMOS基准电源还具有低噪声的特性,能够减少电源的干扰和噪声对ADC的影响。
低噪声的基准电源可以提高ADC的信噪比和动态范围,保证输入信号的清晰度和准确性。
2.高精度基准电源在ADC中应用的意义高精度基准电源能够提供稳定可靠的参考电平。
由于信号的转换是基于基准电平进行的,如果基准电源不稳定,就会导致ADC输出的数据存在偏差或误差。
而高精度基准电源通过提供稳定的参考电平,确保了ADC在采样和转换过程中的准确性。
高精度基准电源能够提高ADC的采样精度。
采样精度是指ADC对输入信号进行离散化时的精度。
通过提供高精度的基准电源,ADC能够更准确地对输入信号进行采样和量化,从而提高数据的精确度和分辨率。
高精度Sigma-Delta ADC芯片设计研究刘庆一1 孙艳杰2 孙文海1 刘瑞华1 赵义强21.大唐半导体科技有限公司 山东省青岛市 2661002.齐鲁工业大学(山东省科学院)山东省科学院自动化研究所 山东省济南市 250014摘 要: S igma-Delta ADC利用过采样技术和噪声整形技术提升转换精度,高转换精度需要高过采样率,严重限制了电路的转换速度,本文针对高速高精度模数转换需求,提出基于高阶调制器结构、多比特量化和双采样技术的ADC结构,降低高精度转换所需的过采样率需求,提高电路的转换速度;结合带有前馈支路的单环调制器结构和多比特量化方式,大力缩减积分器输出摆幅,降低放大器设计难度和功耗,解决多级级联结构的稳定性差问题。
关键词:高精度模数转换器 Sigma-Delta调制器 5-bit SAR量化器1 引言近年来,随着传感器技术的发展,各类传感器广泛应用于工业及汽车电子产品等领域。
模数转换器(ADC)作为传感器信号数字化的重要电路单元,对其精度及速度要求较高[1,2]。
Sigma-Delta ADC利用过采样和噪声整形技术,可以提高信号的信噪比,提升转换精度[3,4]。
本文专注于高精度模数转换器芯片的设计,研究面向车规级传感器信号采集应用的16-bit高精度、低噪声微弱电信号采集和模数转换电路的架构设计技术,以及低噪声设计技术、失调消除技术、高性能信号缓冲器轨到轨输入级设计技术。
设计高精度、数据率可调Sigma-delta调制器,低通带纹波降采样滤波器设计技术,低噪声参考电压产生技术、电源和共模干扰抑制技术,实现高可靠高精度Sigma-Delta型模数转换器芯片。
2 总体方案总体架构如图1所示,由多位SigmaDelta调制器、重建滤波器、可编程抽取滤波器、FIR滤波器以及输入缓冲器、控制逻辑等构成。
片内集成基准电压驱动缓冲器以及用于输入信号缓冲、电平转换的差分放大器,形成高度集成的紧凑型数据采集器件,消除复杂模拟前端信号处理电路设计需求,简化ADC使用。
浅析电压基准源的设计与仿真[摘要]基准电压源广泛应用于电源调节器、a/d和d/a转换器、数据采集系统,以及各种测量设备中。
近年来,随着微电子技术的迅速发展,低压低功耗已成为当今电路设计的重要标准之一。
比如,在一些使用电池的系统中,要求电源电压在3 v以下。
因此,作为电源调节器、a/d和d/a转换器等电路核心功能模块之一的电压基准源,必然要求在低电源电压下工作。
[关键词]基准电压源 a/d 转换器基准电压源广泛应用于电源调节器、a/d和d/a转换器、数据采集系统,以及各种测量设备中。
近年来,随着微电子技术的迅速发展,低压低功耗已成为当今电路设计的重要标准之一。
比如,在一些使用电池的系统中,要求电源电压在3 v以下。
因此,作为电源调节器、a/d和d/a转换器等电路核心功能模块之一的电压基准源,必然要求在低电源电压下工作。
用于高速高精度adc的片内电压基准源不仅要满足adc精度和采样速率的要求,并应具有较低的温度系数和较高的电源抑制比,此外,随着低功耗和便携的要求,adc也在朝着低压方向发展,相应的基准源也要满足低电源电压的要求。
一、电压基准源影响的建模分析在pipelined adc系统中,基准源的主要作用是为子adc提供比较电平,同时为mdac提供残差电压。
差分基准电压源发生偏移会导致子adc比较电平和mdac残差电压发生变化。
而通过引入冗余位矫正技术可大大减小差分基准电压源所引起的比较电平变化对系统指标造成的影响,但是,mdac残差电压变化的影响却无法消除,系统的转移特性曲线仍将会发生变化,从而造成系统指标下降。
其中基准电压源的偏移主要来源于温度和电源电压的影响。
下面分析基准电压源温度漂移特性对dnl的影响。
一般情况下,实际相邻输出与理想相邻输出之间的偏差可以表示为:对于首级精度为3.5位的12位adc,在-40℃~85℃的温度范围内,对温度要求最严格的比较器一般要求基准电压源的最大温漂不超过(7/8)vdiff。
如何为ADC选择最合适的基准电压源放大器(最全)word资料主题: 驱动精密ADC:如何为您的ADC选择最合适的基准电压源和放大器?精彩问答:[问:callhxw]如何评定一颗ADC非线性?丢码?[答:Jing]you can use ADC"s INL and DNL parameter to evaluate the non-linearity and you can also use ENOB parameter to check code loss. Thanks!Generally ENOB releated with ADC"s SNR[2020-2-28 10:32:08][问:吉星]在差分输入时,不考虑直流,使用差分放大器和变压器哪个更好.[答:Mariah]Transformer is better for the better noise and distortion performance, especially in very high frequencies.[2020-2-28 10:32:14][问:Jane Yang]请问应如何处理板级噪声对于高精度AD的影响?特别是输入部分的噪声?[答:Jing]This is a good question and it"s very difficult to answer. Generally, You should consider all the input noise derived from sensor/AMP/BUFFER. You can also use a LPF to reduce the input noise. Remember the BGP of AMP should be 100x of ADC"s throughput. Thanks![2020-2-28 10:34:30][问:石林艳]AD变换的参考基准源很重要,对模拟供电电源和数字供电电源的要求也很高吗[答:Rui]模拟供电电源,和数字供电电源相对基准源来说,精度要求相对较低,一般情况下用10uF的电容和0.1uF滤波即可。
ADC(模数转换器)内部通常会有一个带隙参考电压源,用于提供稳定的参考电压,以保证ADC的测量精度和稳定性。
带隙电压是一种依赖于温度的电压,通常用于生成不依赖于温度的基准电压。
带隙电压源的原理是利用不同半导体材料的能隙差来产生一个正温度系数电压和一个负温度系数电压,然后将它们叠加起来得到一个几乎不随温度变化的基准电压。
这个基准电压可以用来为ADC提供稳定的参考电压,以实现高精度的测量。
由于ADC的输入信号范围通常较大,为了能够准确地测量各种信号,ADC需要一个稳定的参考电压来保证测量的准确性。
因此,ADC内部的带隙参考电压源是至关重要的,它能够提供稳定且高精度的参考电压,从而保证ADC的性能和测量精度。
需要注意的是,不同的ADC芯片可能会有不同的带隙参考电压源设计,因此具体的带隙电压值可能因芯片而异。
同时,带隙参考电压源的精度和稳定性也会受到制造工艺、温度等因素的影响,因此在应用中需要注意校准和补偿。
用于Pipeline ADC的参考电压和参考电流的电路系统美国模拟器件(上海代表处)宋浩然摘要 – 稳定、精密的参考电压和参考电流是pipeline ADC电路中必不可少的。
尤其是系统工作在高速转换的情况下,设计如此的参考系统更成为电子工程师的挑战。
本文通过系统的设计方法,详细地介绍了参考电压电流系统的设计流程。
最后,测试的结果验证了本文描述的系统的精度以及设计方法的高效性。
关键字:电源,模数转换器、参考电压、参考电流、系统设计方法I. 简介目前许多通讯系统中需要高速、高分辨率的模数转换器。
相比较其他结构的ADC,流水线结构(pipeline)的ADC具有速度和功耗的优势。
在每一级量化器和余量增益放大器都需要精密的参考电压。
尤其是在多级并带有很大电容负载的高分辨率ADC上,增加了参考电压的负载。
因此在高速、高分辨率的流水线ADC,精密的参考电压必须要有缓冲器来保证一定的精度和建立时间,对于高速系统,需要参考电压保持精度和速度的情况下对电容进行充放电,这对电路设计工程师来说是一个很大的挑战。
这也是很多高速ADC一般都采用外部的参考电压或参考电流的原因。
因此本文着重于在此工作条件下参考电压和参考电流的设计,同时也贯穿了系统设计的方法。
文章从设计目标到芯片测试,描述了整个设计流程。
这种设计方法对模拟电路设计自动化也很有借鉴意义,尤其是对模拟电路的拓扑选择和产生。
本文所描述的参考系统在实际的ADC电路中实现,测试结果显示电源抑制比和温度特性比较好,非常成功的集成在10bit采样率40MSPS的pipeline ADC中。
本文第二节描述系统的架构,第三节详细介绍系统的电路实现,第四节给出了测试结果,最后总结了本文的工作。
II电路架构设计整个电路系统是为pipeline ADC产生对工作电源电压、生产工艺和工作温度都不敏感的参考电压和电流。
带隙基准源(Bandgap)是在CMOS工艺中常用的对温度不敏感的结构,系统中还需有电压电流转换电路(V/I converter)。
高速ADC/DAC 测试原理及测试方法随着数字信号处理技术和数字电路工作速度的提高,随着数字信号处理技术和数字电路工作速度的提高,以及对于系统灵敏度等以及对于系统灵敏度等要求的不断提高,对于高速、高精度的ADC ADC、、DAC 的指标都提出了很高的要求。
比如在移动通信、图像采集等应用领域中,一方面要求ADC 有比较高的采样率以采集高带宽的输入信号,另一方面又要有比较高的位数以分辨细微的变化。
因此,保证ADC/DAC 在高速采样情况下的精度是一个很关键的问题。
ADC/DAC 芯片的性能测芯片的性能测试试是由芯片芯片生产厂家完成生产厂家完成生产厂家完成的,的,的,需需要借助昂贵借助昂贵的的半导体测试仪器试仪器,,但是对于是对于板级板级板级和系统和系统和系统级级的设计人员来说设计人员来说,,更重更重要的是如要的是如要的是如何验何验何验证芯片在证芯片在板级或板级或系统系统系统级级应用应用上上的真正真正性能指标。
性能指标。
一、ADC的主要参数ADC 的主要指标分要指标分为静态为静态为静态指标和动指标和动指标和动态态指标2大类大类。
静态静态指标指标指标主主要有要有::•Differential Non-Linearity (DNL)•Integral Non-Linearity (INL)•Offset Error•Full Scale Gain Error动态指标指标主主要有要有::•Total harmonic distortion (THD)•Signal-to-noise plus distortion (SINAD)•Effective Number of Bits (ENOB) •Signal-to-noise ratio (SNR) •Spurious free dynamic range (SFDR)二、ADC 的测试方案要进行ADC 这些众多这些众多指标的指标的指标的验验证,证,基本基本基本的方的方的方法法是给ADC 的输入的输入端端输入一个理想的信号,的信号,然后然后然后对对ADC 转换转换以以后的数的数据进行据进行据进行采集和分采集和分采集和分析析,因此,,因此,ADC ADC 的性能测的性能测试试需要多台仪器多台仪器的的配合并配合并用用软件软件对测对测对测试结果进行试结果进行试结果进行分分析。
一种高精度电压基准源的测试方法作者:姜吉张文辉来源:《中国科技纵横》2018年第23期摘要:本文介绍了高精度电压基准源的基本原理,设计一种在元器件筛选中对高精度电压基准源的测试方法,对高精度电压基准源的输出电压、稳定度参数等技术指标进行精准检测,测试结果满足技术精度要求。
关键词:高精度电压基准;测试;稳定度中图分类号:TN432 文献标识码:A 文章编号:1671-2064(2018)23-0080-030 引言基准电压源或电压基准(Voltage Reference)通常指的是在电路中用作电压基准的高稳定度的基准源。
随着集成电路规模的不断增大,尤其是系统集成技术(SOC、VLSI)的发展,电压基准源成为了大规模、超大规模集成电路和几乎所有数字模拟系统中不可缺少的基本电路组成部分。
在模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)、线性稳压器等很多集成电路和单元中,都需要高精度而又输出很稳定的电压基准。
比如在模数转换器中,DC电压基准与模拟输入信号一起用于数字化输出信号的产生;在数模转换器中,DAC根据输入端上的数字输入信号,从DC基准电压中选择和产生模拟输出;在精密测量仪器仪表和应用数字通信系统中通常将电压基准源用系统测量和校准的基准。
二十世纪七十年代以来,基于MOS晶体管的基本理论和制造技术的深入研究、电路设计和工艺技术的进步,MOS模拟集成电路得到了高速发展。
CMOS集成电路由于其工艺简单、器件面积小、集成度高和低功耗等优点,现已经成为了数字集成电路产品的主流。
在这样的背景下,由于低成本、高性能,基于标准数字CMOS工艺的各种高精度模拟集成电路产品备受人们关注,并很快成长为集成电路技术中的一个重要研究领域。
而各种高精度电压基准源由于数字模拟系统中的广泛应用,更加具有广阔的开发与应用前景。
目前很多设备可以进行电压基准源测试,但是由于精度不够,测试结果数据偏离较大,无法判断结果数据的可靠性。
现在大多测试设备都采用激励-响应测试方法,在测试过程中通过搭建外围电路联通测试设备和被测元器件,进行测试,但该过程引入了额外的输入阻抗和输出阻抗,使元器件输入端和输出端产生一个电压差,从而影响元器件的测试结果数据,尤其是在高精度电压基准源测试过程中。
adc基准电压和电源电压概述及解释说明1. 引言1.1 概述ADC基准电压和电源电压是数字信号处理领域中重要的概念。
ADC基准电压是指用于将模拟信号转换为数字信号的参考电压,而电源电压则是提供稳定工作能量的电源供应系统。
在设计和实现各种电子设备和系统时,合理选择和设置ADC 基准电压和电源电压至关重要。
1.2 文章结构本文将分为五个主要部分来介绍ADC基准电压和电源电压的概念、重要性以及选择设置方法。
首先,我们将在第二部分概述ADC基准电压的定义和作用,并介绍常见的ADC基准类型以及选取时需要注意的事项。
接下来,在第三部分中,我们将对电源电压进行概述,包括其定义、作用以及与ADC性能相关联的要求。
在第四部分中,我们将详细讨论如何选择合适的ADC基准类型并进行设置,并解决实际设置过程中可能遇到的常见问题。
最后,在第五部分中,我们将总结文章要点和重点信息,并强调ADC基准电压和电源电压的重要性,并提出可能进一步拓展研究或实际应用的领域。
1.3 目的本文旨在提供关于ADC基准电压和电源电压概念的详细说明,帮助读者理解它们在数字信号处理中的作用和重要性。
通过本文,读者将了解不同类型的ADC 基准电压以及选择和设置方法,并清楚了解与ADC性能相关联的电源要求。
此外,我们还希望通过本文可以引发读者进一步深入研究和实际应用领域的思考。
2. ADC基准电压概述2.1 定义和作用ADC基准电压是指在模数转换器(ADC)中被选为参考电平的稳定电压。
它用于确定模拟输入信号与数字输出值之间的比例关系,即将模拟信号转换为数字量时的参考点。
ADC基准电压在精确测量和采样过程中起着关键作用,它决定了ADC的精度、灵敏度和动态范围。
2.2 常见的ADC基准电压类型常见的ADC基准电压类型包括:- 内部基准电压:一些ADC芯片内置了稳定的参考电源,并通过引脚供给给ADC 使用。
内部基准电压通常由芯片制造商提供,具有较高的稳定性和精确度。
2044计算机测量与控制.2010.18(9) Computer Measurement &Control自动化测试收稿日期:2010 06 16; 修回日期:2010 07 26。
作者简介:戴 澜(1975 ),博士,讲师,主要从事混合集成电路设计与测试方向的研究。
文章编号:1671 4598(2010)09 2044 02 中图分类号:T N792文献标识码:A基于Matlab 的高速高精度ADC 测试研究戴 澜,姜岩峰,刘文楷(北方工业大学信息学院微电子系,北京 100144)摘要:高速高精度模数转换器(ADC)一直是研究热点,相应地ADC 的测试技术显得尤为重要;文章首先对ADC 动静态参数进行研究,利用概率统计理论得到性能参数的数学表示;然后提出一种ADC 动静态参数测试电路实现方案,利用上述性能参数的研究成果和提出的测试电路,对所设计的一种12位50M Hz 流水线ADC 性能参数进行测试,并基于M atlab 工具对测试数据进行分析,得到SFDR 为65dB,ENOB 为9 1位,S NR 为56 9dB,S NDR 为56dB,INL 为1 8L SB,试验数据证明了测试方案的可行性。
关键词:频谱分析;M atlab ;动/静态参数;信噪比Testing Research Based on Matlab forHigh -Speed and High -Resolution ADCDai Lan,Jiang Yanfeng,Liu W enkai(Co lleg e of Info rmatio n,N ort h China U niver sity o f technolog y,Beijing 100144,China)Abstract:H igh-speed and high -res olution ADC is alw ays th e hotspot of research ,accor dingly,mu ch attention is put to the testing techn ology of it.This paper concern s the dyn amic/static parameters of ADC an d gains thes e performance parameters in math by the th eory of probab ility and statis tics,pres ents a testing sch eme for dynamic and static parameters testing of ADC,b y the res earch res ults of p erform ance parameters and testing circu its a test is carried for a 12bits 50M s /S pipelined ADC b as ed on M atlab,the test results as bellow s :a SFDR of 65dB,an ENOB of 9 1bits,a SNR of 56 9dB,a SNDR of 56dB,an INL of 1 8LSB,the testing data show this tes tin g sch eme is rea s on able.Key words :FFT ;M atlab;dyn amic/static parameter;S NR0 引言随着电子技术的发展,模数转换(A DC)在电子系统中显得尤为重要,对ADC 的速度和精度要求也越来越高,高速高精度A DC 的设计逐步成为研究热点,相应测试技术研究的也更加关注[1]。
http://www.cicmag.com(总第238期)2019·3·图2微分非线性误差DNL图1理想器件1前言随着高速数字电路的发展,高速ADC 在航天国防、数字通信、卫星通信、图像处理等众多领域得到了非常广泛的应用。
ADC 的采样率和垂直分辨率越来越高,对ADC 指标的测试也提出了更高要求。
2测试参数2.1静态参数ADC 的测试指标和参数主要分为静态参数和动态参数两类。
其中静态参数又称线性参数,反映的是器件内部电路的误差。
对ADC 来说,这些内部误差包括器件的增益、偏移、微分非线性(DNL )和积分非线性(INL )误差,这些参数说明了静止的模拟信号转换成数字信号的情况,主要关注具体电平与相应数字编码之间的关系。
测试ADC 静态性能时,要考虑两个重要因素:第一,不仅要给一个既定的模拟电压,电压精度要高,还必须考虑模拟电压的范围以及代码间的转换特性;第二,静态测试是一个交互性过程,要在不同输入信号下测试实际输出。
静态测试的主要项目有:微分非线性误差、积分非线性误差、偏移与增益误差。
1.微分非线性误差(DNL ,Differential nonlin-earity )理想ADC 器件,相邻两个数据刻度之间,对应模拟电压的差值(步距)都是一样的。
但实际上,相邻两刻度之间的间距不可能都是相等的。
所以,ADC 相邻两刻度之间最大的差异与理想步距的差值,就叫微分非线性DNL ,也称为差分非线性,以LSB 为单位(LSB ,最低有效位,即理论上的最小可分辨模拟电压值,比如1.024V 基准电压,10bit 的ADC ,其LSB 为0.001V )。
理想器件,DNL 都应该为0LSB ,如图1。
而实际器件,如图2,DNL =(2.2-1)LSB =1.2LSB 。
高速高精度ADC 的测试方法孙承志(是德科技)69http://www.cicmag.com(总第238期)2019·3·图4频谱分析方法2.积分非线性误差(INL ,Integral nonlinearity )积分非线性表示了ADC 器件在所有的数值点上对应的模拟值和真实值之间误差最大的那一点的误差值,也就是输出数值偏离线性最大的距离。
高精度±10V基准源AD587介绍继上次项目中用到AD586后,由于要用到高精度的DAC,必须选用一款高精度的基准源,为ADC采样提供很好的±10V基准,所以研究了AD586同系列芯片AD587,在此向大家做个简单的总结,如果有不妥之处,还望大家予以更正。
AD587高精度10V基准源是Analog Devices公司生产的新型离子注入埋藏齐纳二极管器件,比以往的带隙电压基准源噪声漂移更低,精度高,输出调整能力强等优点,是许多DAC及ADC器件很好的参考电压基准源。
AD587的主要特性如下:(1)、激光调整的高精度:10.000V±2mv;(2)、有输出调整能力;(3)、低噪声,漂移低。
AD587内部框图如下图所示,内含一个埋藏齐纳二极管电压基准源、一个输出缓冲放大器及若干个高稳定薄膜电阻。
这样的设计使得±10V输出的单片高精度基准源的初始偏差远小于2.0V,温度系数更小。
AD587的使用非常简单,当Pin2接电源,Pin4接地时,Pin6输出绝对是10V,不需要外部任何器件。
AD587的供电电源为+15V或者+12V,工作时的静态电流绝对小于4mA。
通电建立时间:这主要指在通电时,输出电压达到指定偏差带内所需的时间,这个主要包含两个因素:动态电路的稳定时间和芯片温度梯度的稳定时间。
在AD587来看,如果在不加外部电容的情况下,稳定到0.01%需要60us,如果在外部加上电容,时间可以达到400ms。
动态特性:输出缓冲放大器的设计使得AD587的静态和动态负载调整优于其他的基准源,AD587的输出放大器的驱动能力为10mA,负载的瞬态响应时间为2~4us。
负载调整性:AD587很好的负载调整特性,负载电流几毫安的变化使输出只是改变几十微伏,吸收电流特性比较好。
从以上几点可以看出,AD587的各类指标完全优于同类的高精度基准源,在应用时,除了用它做+10V基准源外,还可以做-10V基准源,只需Pin2接电源大于+5V,Pin6输出端接地,Pin4引脚通过电阻Rs接-15V电源,这样在AD587的Pin4接地端产生一个-10V电源,并且得到的电压特性与+10V电源一样,精度很高的。
0引言
随着集成电路规模不断扩大,尤其是芯片系统集成技术的提出,对模拟集成电路基本模块(如A/D、D/A转换器、滤波器以及锁相环等电路)提出了更高的精度和速度要求,这也就意味着系统对其中的基准源模块提出了更高的要求。
用于高速高精度A DC的片内电压基准源不仅要满足A DC精度和采样速率的要求,并应具有较低的温度系数和较高的电源抑制比,此外,随着低功耗和便携的要求,A DC也在朝着低压方向发展,相应的基准源也要满足低电源电压的要求。
本文分析了基准源对流水线A DC精度的影响,并建立了相应的模型,确定了高速高精度A DC对电压基准源的性能要求。
给出了基于1.8 V的低电源电压,并采用结构简单的VBE非线性二阶补偿带隙基准源的核心电路,该补偿方式可以实现较低的温度系数,能满足高速高精度A DC的要求。
箝位运放采用一种低噪声两级运算放大器,该运放可提供小于0.02 mV 的失调电压,因而保证了基准源的补偿精度。
为了提高基准源的电源抑制比,本文除采用常用的共源共栅电流镜技术以外,还设计了一种简单有效的电源抑制比提高电路,从而使得基准源的电源抑制比有了较大提高。
1 电压基准源影响的建模分析
在Pipelined A DC系统中,基准源的主要作用是为子A DC提供比较电平,同时为MD A C提供残差电压。
差分基准电压源发生偏移会导致子A DC比较电平和MDA C残差电压发生变化。
而通过引入冗余位矫正技术可大大减小差分基准电压源所引起的比较电平变化对系统指标造成的影响,但是,MDA C残差电压变化的影响却无法消除,系统的转移特性曲线仍将会发生变化,从而造成系统指标下降。
其中基准电压源的偏移主要来源于温度和电源电压的影响。
下面分析基准电压源温度漂移特性对DNL的影响。
一般情况下,实际相邻输出与理想相邻输出之间的偏差可以表示为:
对于首级精度为3.5位的12位A DC,在-40℃~85℃的温度范围内,对温度要求最严格的比较器一般要求基准电压源的最大温漂不超过(7/8)V diff。
根据下列两式:
可以得到DNL对基准电压源温度系数的要求,即温度系数T C≤6.84 ppm/℃。
式中,V T0为室温25℃时的基准电压值。
2电压基准源电路结构设计
2.1 二阶曲率补偿技术
由前文分析可知,12位A DC系统要求温度系数应小于6.84ppm/K才能达到12位精度。
传统带隙基准源很难达到这个要求,因此,本文选用一种如图1所示的二阶曲率补偿的电压基准源结构。
如图1所示,根据V BE的温度关系式:
从(5)式可以看出,V BE与温度并不是简单的线性关系,最后一项就是非线性项。
其中η是与工艺相关的量。
如果发射极电流是PTA T电流,那么α=1;如果发射极电流与温度无关,则α=0。
图1中流入Q1、Q2的电流是PTAT电流,故有:
因流入Q3的电流也与温度无关,故有:
由于流过R4和R5的电流I NL正比与V NL,故可表示为:
设M1、M2、M3和M4管的宽长比一样,所以,流过四个管子的电流相等且都等于:
从式(10)可以看出,式子的第三项用来消除V EB1的非线性,这样,结合(6)式可得:
这样,由(10)式可以得到输出的基准电压源为:
2.2 低噪声箝位运放的设计
在基准源中,箝位运放的主要作用是通过电流负反馈使与输入端连接的结点的电压强制相等,并且与电源电压无关。
可用运放的输出对电流源进行适当的偏置,使其流过的电流与输入电压无关,从而使R的电流为PTA T电流。
实际的运放通常会存在失调电压、有限增益以及运放噪声,这些都会对基准电压源的性能造成影响,由于基准电压源一般工作在低频条件下,因此,对运放的频率特性要求不高。
本文在设计低噪声箝位运放的过程中,重点考虑了以下几个因素:
(1)由于运放的两个输入端基本为固定电位,不需要考虑动态范围,因此,运放的设计不考虑共模输入范围;为了保证电路适用于低电源电压场合,cascode结构不再适合,因此,本文选用普通两级运放的设计方式;
(2)选用PMOS作为运放的输入级。
因为PMOS的载流子与空穴的迁移率比N MOS的电子迁移率低2~5倍,故可以较大的减小1/f噪声。
同时由于1/噪声与MOS管的面积成反比,因此,输入管的面积需要做的很大;
(3)为了使1/f噪声最小化,负载晶体管的栅长应该比输入管的栅长更长;
(4)减小箝位运放的带宽可以有效的减小热噪声的影响。
经过仿真可以得到如图2所示的低噪声箝位运放的频率特性曲线,该曲线表明箝位运放的开环增益为81dB,单位增益带宽为139 MHz,相位裕度为61°,失调电压为0.02 mV,可见该运放能够满足系统要求。
2.3 提高电源抑制比的电路设计
带隙基准电路的电源电压抑制比可以表示为:PSRR=∣(1-A dd)/A V∣,其中A V为运放的开环增益,A dd为运放的输出与电源电N d d之比。
因此,为了提高PSRR,可以采取三种措施:一是增加运放的开环增益Av;二是改进电路结构使运放的A d d趋近1;三是引入预校正技术,即通过一个反馈电路将电源电压稳定在V reg,并由V re g为基准电路供电,以有效提高PSRR。
本文的电路结构除采用共源共栅电流镜技术外,所加入的电源抑制比提高电路还可使运放的A dd趋近1,从而大大提高基准源的电源抑制比。
电源抑制比提高电路的具体结构如图3所示,它主要由M15,M16构成。
作为M16负载的M为二极管接法,具有低输出阻抗,可在提高环路增益的同时,把电源纹波引入到环路中。
由于以PMOS作为输入管的两级密勒补偿运放的PSR约为0,因此,Vg 的PSR主要由PSR提高电路决定,具体表示为:
从上式可知,V G跟随V dd变化,使M23,M24的栅源电压保持恒定,从而提高基准电压的PSR。
3 电路仿真
3.1 温度系数的仿真
通过Hspice仿真软件可对上述基准源的整体电路进行温度系数仿真,图4所示是其温度系数仿真曲线,由图可以看出,二阶曲率补偿技术可有效降低基准源的温度,在-40℃~125℃的温度范围内,其电压基准输出变化为0.26 mV,温度系数为2.13 ppm /℃,完全可满足12位100 MspsA DC的系统要求。
3.2 PSRR的仿真
对比加入电源抑制比提高电路前后的电压基准源电路的电源抑制比仿真结果可以发现:没有加入PSR提高电路的电压基准源的电源抑制比在低频条件下可达到-72 dB,在100 kHz条件下为-62 dB;加入PSR提高电路后,电压基准源的电源抑制比达到-101dB,在100 kHz的条件下,仍然能够达到-81 dB。
可以看出,引入PSR提高电路后,其PSR提高了29 dB。
4 结束语
本文对电压基准源引起的A DC系统的DN L误差进行了建模分析,提出了一种采用二阶曲率补偿技术的电压基准源电路,该电路运用低噪声两级运放进行箝位,同时在采用共源共栅电流镜技术的基础上加入了PSR提高电路。
通过在基于TSMC 1.8 V 0.18 μm标准CMOS工艺条件下的仿真结果表明,该电路的温度系数为2.13 ppm/℃,电源抑制比在低频条件下可达到-101 dB,可以满足12位100 Msps A DC的系统要求。