一种输出可调的高精度开关电容基准电压源

许超，吴叶，常伟，李珂

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡 214035）

1 引言

随着现代通信系统的发展，A/D 和D/A 转换器对于精度的要求越来越高，基准电压源作为其中重要的组成部分，其精度对A/D 和D/A 电路的性能有很大影响[1]。传统连续时间带隙基准受运算放大器（运放）输入失调电压的影响较大，加大了电路的设计难度[2-3]，采用开关电容电路的离散时间带隙基准可以避免运放失调电压带来的影响[4]，增加输出级也可以解决开关电容基准电压输出随开关周期性输出的问题[5]。

在芯片生产过程中，制造工艺的不确定性会导致器件不匹配，基准电压的偏移无法避免[5-6]，因此基准电压修调技术一直是研究的重要方向，基准电压修调技术对于节约芯片成本有着重要的意义。目前常用的修调校正技术包括激光熔丝修调、电子熔丝修调和寄存器修调等, 根据应用选择不同的修调方式可以极大地节约电路成本[7-8]。

随着深亚微米CMOS 工艺的发展，国内外已设计出多种基准电压源结构[9-10]，开关电容基准电压源也被应用于多种高精度A/D、D/A 转换器芯片中，但是工艺偏差对基准电压的精度仍然存在较大的影响。本文将熔丝修调技术应用于高精度开关电容基准电压源中，可在中测阶段通过熔丝修调技术消除工艺偏差，有效降低了芯片的生产成本。

2 输出可调开关电容基准电压源的架构

本研究设计的基于熔丝修调的开关电容基准电压源结构如图1 所示，其主要包括偏置电路、熔丝修调放大电路以及输出级电路等。偏置电路提供一个与电源无关的偏置电压V1，中间的放大电路将V1放大，产生随时钟周期变化的电压V2，随后输出级电路输出稳定的基准电压。半导体制造工艺中非理想因素会导致输出的基准电压产生偏差，因此本文设计了基准微调电路，采用熔丝修调电阻实现，电路与电容C1并联，通过修调C1改变输出的基准电压。

图1 输出可调的开关电容基准电压源结构

2.1 熔丝修调放大电路的结构

本文设计的基准电压源放大电路包含运放、模拟开关TG2～TG7、电容C1～C8、基准微调电路等。模拟开关受时钟Φ1和Φ2控制，放大电路工作过程分为跟随和放大两个阶段，工作原理如图2 所示。

图2 基准电压源放大电路的工作原理

在Φ1相位中，Φ1为高电平，Φ2为低电平，TG2、TG3、TG4、TG7导通，TG5、TG6截止，等效电路如图2（a）所示，输出电压V2与V1相等，因此电容C1～C4上的总电荷为0 C，电容C5～C8上的总电荷Q1为：

在Φ2相位中，Φ1为低电平，Φ2为高电平。开关导通情况与Φ1相位相反，等效电路结构如图2（b）所示，电路工作在放大状态，C1为采样电容，C2、C3为反馈电容。开关切换的瞬间，电容两端电压不会发生突变，运放反向端的电压仍为V2，所有电容上的总电荷Q1′为：

根据电荷守恒原理，整理可得：

从式（3）可以看出，通过调节C1的值，可以对V2进行微调，得到准确的基准电压。

为了实现基准输出可调功能，本研究设计了基准微调电路，共设置了8 个基准电压修调范围，基准微调电路结构如图3 所示。

图3 基准微调电路结构

基准微调电路由熔丝电阻、译码器电路、开关以及电容组成，A、B 端口连接电容C1两端。电阻R2、R4和R6采用熔丝电阻，两电阻之间通过测试端口连接外部，通过外部端口控制熔丝电阻是否熔断，从而改变N1、N2、N3节点的电压。熔丝断开时，N1、N2、N3为高电平，反之，N1、N2、N3为低电平。通过改变译码器输入端的高低电平改变输出，通过输出电平控制开关的状态。

当开关导通时，修调电容与C1并联，改变电容C1的大小，可以修调基准电压。

2.2 输出级电路结构

由上述分析可知，基准电压源中间的放大电路只有放大功能，且在Φ1相位中，V2会随着V1下降，无法在连续时间内产生稳定的基准电压。因此，在本电路中设计了输出级，保证连续时间内具有稳定的基准电压输出。输出级电路结构见图1，输出级电路受双向非交叠时钟控制，具有保持和放大两个阶段，其等效电路分别如图4（a）和图4（b）所示。

图4 输出级工作原理

在Φ1相位中，TG9、TG10导通，输出级与中间级电路断开，在本设计中，电容C11较大，Vout保持上个周期的电压不变，开关电容积分电路的等效电路如图4（a）所示，所有电容的总电荷Q2为：

在Φ2相位中，TG8、TG11导通，开关电容积分电路的等效电路如图4（b）所示。第二级输出电压V2给输出级电路充电，电容C9、C10、C11中的电荷为Q2′：

根据电荷守恒定律，联立式（4）（5）可得：

分析输出级的工作原理和传递函数，可知在Φ2相位中，V2给电容充电，电容转移到输出端，Vout增加，在Φ1相位中，Vout保持上个周期的电压不变，最终输出基准电压成阶梯状增大。输出级电路在稳定后可以实现输出稳定的基准电压Vout。

3 测试结果

本研究采用0.5 μm CMOS 工艺进行设计流片。对开关电容基准电压源进行仿真和实际测量，结果如图5 所示。从图5 可以看出，仿真结果与测试结果一致，基准电压从0.662 V 开始呈阶梯状上升，经过558 μs后稳定在2.355 V。在实际应用中，基准电压接口处外接100 nF 的电容，基准电压从0.662 V 开始上升，6 ms后稳定在2.355 V，符合设计要求。基准电压可调范围为2.316～2.395 V，如表1 所示。

表1 熔丝修调基准电压值

图5 基准电压仿真与测试结果

5 V 电源电压下，基准电压随温度的变化范围如图6 所示。在-40～80 ℃的温度范围内，基准电压的温度系数为19.46×10-6/℃。在-55～125 ℃的温度范围内，基准电压的温度系数为33.5×10-6/℃。表2 为相关文献中的开关电容基准源与本基准源的参数对比，结果显示，在-40～80 ℃的温度范围内，本文提出的开关电容基准电压源的温度系数较低。

表2 基准电压源参数对比

图6 基准电压随温度变化曲线

4 结论

本研究基于0.5 μm CMOS 工艺设计了一种输出可调的高精度开关电容基准电压源。首先采用熔丝修调技术，在中测阶段调节输出电压，降低制造工艺中非理想因素的影响，从而降低电路的制造成本；其次，采用开关电容电路，避免了运放输入失调电压的影响，提高了基准精度；最后，增加了输出级电路，保证了连续时间内基准电压的稳定输出。该基准电压源产生的基准电压为2.355V，熔丝修调范围为2.316～2.395 V。在-40～80 ℃的温度范围内，基准电压的温度系数为19.46×10-6/℃。在-55～125 ℃的温度范围内，基准电压的温度系数为33.5×10-6/℃。测试结果表明，该电路具有基准电压可修调、温漂低等特点，可以应用在高精度A/D、D/A 转换器及音频编解码器芯片中。