第三章高精度基准电流源的设计
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1、第三章高精度基准电流源的设计通过调查资料发现，基准电流源是当前模拟集成电路非常重要的组成部分之一，并且几乎所有的比较先进的电子产品中都可以找到基准电流源的存在，它的作用是为电路中的各组成模块提高较为准确的偏置电流，基准电流源也具有独立、准确、简单的特点。本文根据实际的需求，设计了一种新型的基准电流源结构图， 如图3-1所示。从图中可以看出该电流源由电流求和、电压 -电流转换、启动单 元等四部分构成。AJtJD牟册卓比电压一屯渣特扶电图3-13.1基准电流源低温漂特性获取方案如图3-1所示是正温度系数电流与负温度系数电流的补偿原理图，从图中可以看出，h与丨2在进行温度补偿的过程中，只进行了一阶，
2、因此其可以看成是一 级近似，并且根据实际情况，我们可以将12用一条线性直线进行表示。这条线性 直线定义为AB然后再绘制一条与 AB相互平行的直线CD并且将CD于 12相切 的那一点定义为点E，通过计算可以得到其斜率为0,所以，最终得到E即为所 对应的I?基准电流的零温漂点。设=m ,=m，那么可以进一步计算得到-I ref,：I2k2-订k1mn k2m2 = 0(3-1)它可以从方程 3-1可以看出，参考电流源具有为 0的温度系数在T2时ki/k 2=-miim。图3-2正温系数电流与负温系数电流补偿原理图通过图3-2的原理图，可以了解到其获取到的参考电流为:Iref 二 I 3| 4 二
3、mil 1口2丨 2( 3-2)在这个公式中，丨3表示的是li的镜像电流，丨4表示的是丨2的镜像电流，m表示的是M。和M7宽度的比值，而 m表示的是Mi和M宽度的比值，通过此公式我么可以比较轻松的计算出参考电流的数值,然后再进一步的计算li的PTAT电流,可以表示为如下公式:(3-3)11 二 GT 二也1 n n 二(空 In n)TRiqRi这个公式中的G表示的是一个数值的比例系数，该系数是根据实际的情况进 行确定的。在得到了 li的PTAT电流之后，接着再进一步计算电路中的基准电压的数值,其计算公式如下所示:Vref =Vgo Vt(3- n)(i InT/To)(3-4)这个公式中的V
4、go表示的是一种电压，此电压是在基本环境为绝对零温度下 的一种硅带隙电压。最后，得到M扩散电阻阻值和温度的关系，其关系公式如下 表示：R3 二 R0（i ：仃：2T2）R0（i ：仃）（3-5）由N扩散电阻一阶温度系数宀=3.o7*io -/ C，二阶温度系数二5.36 T 0C,前者比后者大得多，所以这种近似可。当参考电压被施加到正温度系数电阻器，负温度系数的电流I 2产生，如示于下式, V3 VG0 Vt(3 - n)(i I nT/To)I 2 =R3Ro(1：订)(3-6)观察公式3-6可以发现，其计算可以采用傅里叶变换法，因此我们使用一级傅里叶对其进一步的展开，得到如下的公式:12
5、= 12(Ti)ki (T - Ti)(3-7)cl 2kr|Ti (3-8)在这个公式中，Ti为零温度系数点，ki为一阶系数，负温度系数在该点的值,Vgo+V(3- n)(1 + 1 nT/To) I 2(Tl)二Ro(1： iTi)(3-9)最后，我们将3-3公式的计算思想和3-7公式的基本思想相互结合，并将其带入到3-2公式中，得到最终想要的基准电流公式，公式如下所示:Iref = mil 2(Ti) mpGTi (miki m2G)(TTi)(3-10)3.2电源电压调整率优化方式与实现如图3-i所示是电流求和电路图，图中电流求和的基本工作原理如下：电流中的Mg可以表示为Iref，电路
6、中的电压Iref主要是由Vs&4与Whpi4两者的电压 变化数值共同决定的，并且，在这个过程中，如果我们想设置电源电压的数值为 o，那么就需要设置Mi4的电源电压变化概率能够相互的抵消，以保证电压的稳 定性、有效性和准确性。于此同时，我们再接着设置Mi4的源端用P点表示，那么可以得到如下的公式:I ref：Vdd二 Cox，P(W)i4(VSGi4- |Vthpi4 |)( VSGi4 一 lVthpi4l)LcVddcVDD(3-ii)令z=，则：VSG14.VddVpgm10 gm11st = z .Vddgm14(3-12)| Vthp14 卜| Vthp | 0( | 2 FB - V
7、BS |4 -J2b|)(3-13)rcVbs14cVb14cVp的；:Vdd；Vdd；Vdd(3-14). Vbs14 = VSD1O,11 +012,131 3,4(3-15)则对3-13求导可得Vhpi4电源电压变化率:T Vthp14 |:Vdd= a(1_z) ( 3-16)其中(3-17)a = :；2“.f|2 ：FB -VSD10,11 - ro12,13 |r。12,13w( 3-18)Cox.Lp()12,13(VDD - VsD10,11 - | Vthp12,13 |)接着，根据实际的需求，我们将公式3-12以及公式3-16带入到公式3-11:|ref中，可以得到如下公
8、式：= 8x4p(W)14(Vp|Vthp14|)(a+1)z ( 3-19)VddLa 1通过公式3-19，我么可以进一步的得到电源电压调整率为0的基本条件用如下的公式表示：(3-20)接着，在将公式3-17以及公式3-18带入到公式3-19中，可以进一步的得 到如下公式:W 04CoxP(VDD - VSD10,11- |Vthp12,13 | I 3,4)(3-21 )2(1-Z)2 8fb-4Vsd1o,11()12,13 二通过观察公式3-12会发现，（W/L）12,13表示的是实际数值为3.3V的电源电 压。并且公式3-17和公式3-18说明了当（W / L）2,i3的数值越大的时
9、候，a的数值也会随之变大，而且通过公式3-16会发现，0p的数值会随着a的变化而变化, 也就是说当Vthp变小的时候，a也会变小，当Vthp变大时，a也会相应的变大。最 后再根据公式3-11可以知道，当（W/L）012,13 （W/L）12,13的时候，基准电流源电 源电压调整率是大于0的。在ADC系统，由于差分结构的许多优点相比，单端结构，大量的电路包括 ADC勺现在需要使用参考电压源，如图 4-1所示。因此，有必要将单端的基准电 压的差分基准电压的结构，以及使所述参考电压在转换过程中，以恶化许多问题, 以及充电和放电的开关电容器的转换时的时间段和噪声干扰会严重影响基准电 压。源的性能，进而
10、导致 ADC系统规范的显著下跌第四章高精度差分基准电压源的设计与实现相较于单端结构，差分结构有很多优势在 ADCS统中，其中有大量的电路都 是基于差分基准电压源结构的，如图4-1所示。因此，单端结构需要转换为差分结构，其中涉及到很多因素会使基准电压引入噪声， 这将直接的影响到基准电压 源的性能，导致ADCS统的各项指标明显下降。图4-14.1传统差分基准电压源结构分析I査井辭电压电压i产生桓爵图4-2电压源体系结构如图4-2所示，在缓冲之后，使用一个电阻分压器作用于差分基准电压， 就 可产生差分参考电压。电路的原理是，使用一个运算放大器、 MOS晶体管和电阻 器构成的负反馈电路处理单端的参考电
11、压。 其中，差分基准电压Vi和V2如式（4-1 ） 和（4-2）所示。Vi =Vref(RlR2 R3R2R3(4-1 )V“Vref（）（ 4-2）R2 + R3但以上方法主要有以下三个缺点：（1）在电压的精度值方面不够。由于运放等电路中存在噪声，这种结构是 无法用于高精度ADC勺。（2）该电路所生成的差分基准电压中，共模电压是一 个比较稳定的数值，其不易改变真实的 ADC差分基准电压中的共模电压；（3） 该电路输出部分中的鉴别参考电压无法适应于高频环境。而这却是高精度ADC的必要需求，因此还需进一步机芯改进。4.2新型差分基准电压源设计方案本文提出了一种解决方案，其基于电阻分压器和电流镜的
