江南大学学报(自然科学版)第8卷第3期Vol.8 No.3
2009年6月Jun. 2009JournalofJiangnanUniversity(NaturalScienceEdition)
一种新型带数字校准的超低噪声CMOS参考电压源
毛毳, 何乐年, 严晓浪
(浙江大学超大规模集成电路设计研究所,浙江杭州310027)
3
摘 要:提出了一种新型的超低噪声参考电压源。该参考电压源采用基于CMOS阈值电压的偏置电压源结构,具有极低的输出噪声。使用数字校准的方法,将输出电压与精准带隙电压源电压进行比较和校正,提高输出电压的精度。整体电路使用TSMC0.18μmRFCMOS工艺设计并物理实现,集成于高性能射频接收器芯片中。仿真结果表明,该低噪声参考电压源的输出噪声在1kHz时为62nV/Hz2、在1MHz时为12.3nV/Hz2。测试结果表明,该低噪声电压源的输出电压值参照带隙基准11源,误差为±10mV。
关键词:参考电压源;低噪声;数字校准中图分类号:TN432文献标识码:A文章编号:1671-7147(2009)03-0271-04
ANovelUltraLowNoiseCMOSVoltageReference
CircuitwithDigitalCalibrationScheme
MAOCui, HELe2nian, YANXiao2lang
(InstituteofVLSIDesign,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)
3
Abstract:AnovelultralownoiseCMOSvoltagereferencecircuitwithdigitalcalibrationschemeispresented.ThisvoltagereferenceisbasedonCMOSthresholdvoltage(Vth)biascircuitandhasverylowoutputnoise.Theaccuracyoftheoutputvoltageisensuredbyusingadigitalcalibrationscheme,whichcalibratestheoutputvoltageofthecircuitwithavoltagefromthebandgapcircuit.TheproposedcircuitisdesignedandimplementedbyusingTSMC0.18μmRFCMOSprocessandintegratedinahighperformanceRFreceiverchip.Thesimulationresultsindicatethattheoutputnoiseofthisvoltagereferencecircuitis62nV/Hz2at1kHzand12.3nV/Hz2at1MHz.Themeasurementresultsshowthattheoutputvoltagedifferencebetweenthiscircuitandbandgapreferenceis±10mV.Keywords:voltagereference,lownoise,digitalcalibration
11 在模拟及射频集成电路中,参考电压源是极为重要的组成部分,其噪声特性是影响电路整体性能的关键指标。尤其是在低噪声宽带锁相环电路设计中,由于压控系数KVCO较大,参考电压源输出噪声
收稿日期:2008-05-23; 修订日期:2008-10-20。
基金项目:浙江省科技计划重点项目(2007C21021)。
的上变频效应严重,会直接影响到锁相环电路的整体相位噪声性能,因此需要专门设计低噪声参考电压源。
CMOS集成电路中最常见的参考电压源为带隙
作者简介:毛毳(1981-),男,湖南长沙人,电路与系统专业博士研究生。
3通讯联系人:何乐年(1962-),男,江苏苏州人,教授,博士生导师。主要从事混合信号模拟集成电路研究。
Email:helenian@vlsi.zju.edu.cn
272 江南大学学报(自然科学版) 第8卷
1.2 带数字比特控制的Vth偏置电压源
[124]
基准源(Bandgap),带隙基准电压源利用负温度
系数的双极型晶体管的基极2射极电压VBE和正温度系数的热电压VT组合得到一个源于基本常数(晶体硅能带带隙电压)的输出电压,因此基本上不受工艺、温度和电源电压变化的影响
[5]
文中提出带数字比特控制的Vth偏置电压源电
路结构如图2所示。
。但是,带隙基准
[6]
源由于自身结构问题,输出电压中包括来自运放、电阻和电流镜的噪声,总的输出噪声较大
1,通常
大于1μV/Hz2。近年来,许多研究致力于减小带隙基准源的输出噪声,其中KeithSanborn等人提出的
[324]
低噪声带隙基准源,其输出噪声在100Hz时降至40nV/Hz2,但是该带隙基准源使用BiCMOS工艺设计,芯片面积高达0.4mm,因此不适合集成在CMOS芯片内。
CMOS集成电路中另一种常见参考电压源为阈图2 带数字比特控制的Vth偏置电压源[729]
2
1Fig.2 Vthvoltagereferencewithdigitalbitscontrol
值电压(Vth)偏置电压源。但由于阈值电压受温度和工艺影响,变化较大,输出电压精度无法保证,因此无法直接作为参考电压源使用。结合带隙基准源和Vth偏置电压源的优点,文中提出了一种带数字校准的超低噪声CMOS参考电压源。
该偏置电压源由两级电路组成。第1级为低噪
声电流偏置电路,负责产生低噪声的偏置电流。M1宽长比取值很大,过驱电压很小,栅极电压约等于阈值电压Vth,因此流过电阻R的电流I=Vth/R。第2级为电压输出级,它将第1级产生的低噪声偏置电流复制,其中电流镜M5的电流放大比例N由数字比特b<0:4>控制。然后,电流过两个尺寸较大的二极管方式连接的MOS管M6,M7,产生的输出电压为
Vref=2Vth+Vod6+Vod7=
2Vth11()(1)2Vth+N・+RgM6gM7
因此,通过数字比特b<0:4>调节N即可调节输出电压值的大小。
由于M12M4和R组成的反馈环路抑制了M1、M2和M3产生的热噪声,使得该电流偏置电路的输
1 带数字校准的低噪声参考电压源
1.1 参考电压源结构
文中提出的带数字校准的低噪声参考电压源
结构见图1。不同于带隙基准电压源,该参考电压源采用基于CMOS阈值电压的偏置电压源结构,大大减小输出噪声;同时使用数字校准的方法,保证参考电压源输出电压的精度。
图1中,Vth偏置电压源负责提供低噪声的参考电压源,其输出电压值Vref受到5位数字比特b<0:4>的控制;带隙基准源负责提供高精确度的基准
电压Vbg;数字校准电路负责将Vbg与Vref进行比较,并利用比较结果调整数字比特b<0:4>,使得Vref的值与Vbg的值不断接近,以达到数字校准的目的。
出噪声主要来自于电流镜M4和电阻R。忽略M1、M2和M3引入的热噪声,该低噪声电压源总的输出热噪声为
2
Vn_out=811)kT(+
3gM6gM7
gM4N3N3N1+++
8gM6R8gM7R8gM6R2
2
2+
gM4N
2
(2)
8gM7R
+
gM5gM6
+
gM5gM7
又由于电流镜M4,M5的跨导gM4、gM5远小于M6,M7的跨导gM6、gM7,并且gM6R、gM7R远大于1。当N=1时,式(2)可化简为
图1 带数字校准的低噪声参考电压源
Fig.1 Lownoisevoltagereferencewithdigital
calibrationscheme
Vout=
2
811)kT(+
3gM6gM7
(3)
因此总的输出噪声主要来自于M6、M7本身。又由于
M6、M7自身的宽长比大,其跨导gM6、gM7也大,因此
第3期毛毳等:一种新型带数字校准的超低噪声CMOS参考电压源273
输出热噪声很小;同时M6、M7的尺寸大,其闪烁噪声(flickernoise)也小。1.3 数字校准电路
数字校准电路由比较器和有限状态机组成,其结构如图3所示。比较器负责比较带隙基准源输出电压Vbg和Vth偏置电压源输出电压Vref的大小,并将结果送至有限状态机;有限状态机根据比较器的输出结果改变数字控制位D的值,以调节输出电压Vref。
次低位。此时判断电压比较器的输出,若Vref高于Vbg,则将D减去1,反之则保持D不变。电压校准过程的时序图如图5所示。
图5 电压校准时序图Fig.5 Timingplotofthevoltagecalibration
1.4 带隙基准源电路中的带隙基准源设计采用Bamba等提出[1]
的结构(见图6)。
图3 数字校准电路Fig.3 Digitalcalibrationcircuit
有限状态机的具体设计采用了二分法的逐次逼近算法。状态转换过程如图4所示。
图6 Bamba结构带隙基准源
Fig.6 BambaBandgapreference
电流镜M2的静态电流为: I=I1+I2=
VBE1M・R1
+
ΔVBE
R1
(4)
电流I经电流镜M3复制并放大后流过电阻后,产生
电压Vbg:
(5) Vbg=k・M・I・R1=K(VBE1+MΔVBE)
因此只要适当设计系数M的大小,使得VBE1和ΔVBE
图4 有限状态机状态转换图
Fig.4 Statesequenceoffinitestatemachine
可以看出,状态机在接收到使能信号(Enable)后开始复位,将待校正的Vth参考电压源的数字控制位D置为中间值5b‘10000,即将其“二分”,并将计数变量i置为4。经过一个周期后,将计数变量i减小1,并检查电压比较器的输出,即判别电压Vbg和Vref的高低以确定D最高位的值。若Vref较高则将在下一周期D置位5b‘01000,即把高位置0并继续“二分”后四位;反之则将D置为5b‘11000。在确定了D的最高位后,状态机返回到前面,将计数变量i减小1,再继续确定D的次高位。以此循环,直到完成确定D的
的温度系数互补,就可以得到温度系数较低的基准
电压Vbg。而系数K则用以调节输出电压Vbg的绝对值,文中设计的Vbg输出电压值为2V,并有数字比特位微调。
2 仿真及测试结果
电路使用TSMC0.18μmRFCMOS工艺设计并物理实现,并集成于高性能射频接收器芯片中。 输出噪声在各种温度和工艺角下的仿真结果如图7所示。在室温和典型工艺条件下,文中提出的低噪声参考电压源的输出噪声在1kHz频率处为62
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1 江南大学学报(自然科学版) 第8卷
1nV/Hz2,在1MHz处为12.3nV/Hz2,均远小于带隙基
准源的输出噪声(2300nV/Hz2和182nV/Hz2)。
11图7 输出噪声仿真结果
Fig.7 Simulationresultoftheoutputnoise
4 结 语
文中提出了一种新型的CMOS超低噪声参考电压源,它采用了基于阈值电压的电压偏置源结构,
具有极低的输出噪声,并使用了数字校准的方法提高其输出精度。仿真结果表明其输出噪声在1kHz时为62nV/Hz,在1MHz时为12.3nV/Hz。测试结果表明,以高精度的带隙基准源为参照,其输出电压误差小于±10mV。
12
12
低噪声参考电压源输出电压精度的测试结果如图8所示。测试通过数字控制位微调带隙基准源输出电压,然后校准低噪声电源输出电压,比较两者误差。可以看出,低噪声参考电压源的输出随带隙基准源的输出变化而变化,相对误差小于±10mV。图9给出了该射频接收器芯片的局部照片。
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InternationalConferenceonMicroelectronics(ICM05).Islamabed,Pakistan:IEEEPress,2005:10212.
(责任编辑:邢宝妹)
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