陸 婷，馮 喆

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110000）

1 引 言

隨著IC 技術(shù)的飛速發(fā)展，ADC 轉(zhuǎn)換電路、通信接口電路等功能性電路可很好地集成在芯片內(nèi)部，由此產(chǎn)生了當(dāng)下流行的智能溫度傳感器。該器件減少了外圍復(fù)雜電路模塊，提高了集成度，可大大降低成本，便于批量生產(chǎn)，功耗與可靠性也較分立器件有更優(yōu)表現(xiàn)。智能溫度傳感器在醫(yī)療設(shè)備、汽車電子、自動(dòng)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力凸顯。傳感器讀出電路是整個(gè)電路的核心模塊，對(duì)電路起著決定性的作用，然而對(duì)其核心模塊中的核心感溫元件而言，溫度特性的誤差以及工藝偏差對(duì)于溫度傳感器讀出電路的精度影響非常大，必須對(duì)這些誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，通過加入一些校準(zhǔn)電路來減小這些非理想因素對(duì)精度的影響。在此主要討論電流鏡和運(yùn)放失調(diào)引起的誤差及對(duì)于這兩個(gè)參數(shù)的誤差校準(zhǔn)技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)高精度的智能溫度傳感器讀出電路。

2 ΔVBE 的產(chǎn)生及其誤差

在標(biāo)準(zhǔn)CMOS 工藝下，通常采用兩只襯底PNP晶體管作為感溫元件。在不同的電流密度下，這兩個(gè)晶體管各自的基極-發(fā)射極電壓VBE之差具有良好的正溫度特性，可作為衡量溫度參考要素。通常，此電壓差ΔVBE有幾十毫伏大小，為了使ADC 對(duì)ΔVBE能夠準(zhǔn)確量化，需要對(duì)ΔVBE進(jìn)行放大處理。由于CMOS 工藝下的差分放大器失調(diào)也處于毫伏量級(jí)，且伴有噪聲干擾，會(huì)對(duì)溫度測(cè)量造成誤差。因此產(chǎn)生精確的ΔVBE和對(duì)ΔVBE精確放大是高精度溫度傳感器中的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 ΔVBE 產(chǎn)生原理

ΔVBE的產(chǎn)生原理如圖1 所示。其中，圖1(a)為傳統(tǒng)ΔVBE產(chǎn)生電路；圖1(b)則為運(yùn)用DEM（Dynamic Element Matching，動(dòng)態(tài)器件匹配）技術(shù)的ΔVBE產(chǎn)生電路。

圖1 ΔVBE 產(chǎn)生原理電路圖

當(dāng)施加一定比例（1：p）的偏置電流時(shí)，兩PNP管間的ΔVBE具有正溫度系數(shù)，其非理想方程為[1]：

其中k 為波爾茲曼常量，q 為電子電荷，IS是雙極型晶體管的飽和電流，IC為集電極電流，T 為溫度。

要使ΔVBE具有良好的PTAT 特性，IC要遠(yuǎn)大于IS，但又不能太大，否則會(huì)產(chǎn)生自熱效應(yīng)、大注入效應(yīng)等非理想效應(yīng)，破壞PTAT 特性。所以要選取適當(dāng)?shù)钠秒娏骱蚉NP 管并聯(lián)個(gè)數(shù)以產(chǎn)生較為理想的PTAT 電壓 ΔVBE，將公式(1)簡(jiǎn)化為：

2.2 ΔVBE 的誤差來源

電流鏡鏡像電流源并不是理想電流源，其有限的輸出阻抗會(huì)使輸出電流隨輸出電壓變化。對(duì)此，可采用共源共柵結(jié)構(gòu)，增加輸出阻抗，如圖2 所示。

圖2 共源共柵結(jié)構(gòu)電流源

圖中，Rout為輸出阻抗，對(duì)應(yīng)的公式為:

其中 r01、r02、gm2、gmb2是分別是 MP1、MP2 的輸出阻抗及跨導(dǎo)，可見共源共柵結(jié)構(gòu)將輸出阻抗提高了(gm2＋gmb2)r02倍[2]。

另一個(gè)重要的ΔVBE誤差來源是電流鏡的失配。在圖1(a)所示的電路中，工藝上的偏差會(huì)導(dǎo)致電流鏡失配，這些失配會(huì)導(dǎo)致比例因子p 產(chǎn)生大小為Δp的偏差，則式(2)變?yōu)?

式中ΔVBE的誤差為：

3 誤差消除技術(shù)

3.1 動(dòng)態(tài)匹配技術(shù)

動(dòng)態(tài)匹配（DEM）技術(shù)是一種低成本解決元件失配的方法[3]，采用此法可降低電流源失配造成的溫度誤差。DEM 本質(zhì)上是一種平均誤差數(shù)學(xué)算法，在圖1(b)中，電流鏡個(gè)數(shù)比為1：p，在時(shí)鐘的控制下，每個(gè)時(shí)鐘周期中在個(gè)數(shù)為p 的電流鏡中輪流拿出一支與個(gè)數(shù)為1 的電流鏡交互替換，可與其交替的支數(shù)越多，消除的匹配誤差越大[4]。

由工藝偏差可知，每次電流鏡相互替換形成1:p時(shí)，所造成的ΔVBE偏差是不同的，可用下式表示：

p+1 種組合所產(chǎn)生的ΔVBE平均值為：

由此，ΔVBE變?yōu)椋?/p>

3.2 斬波穩(wěn)定技術(shù)

理想情況下，運(yùn)放的輸入為零時(shí)，輸出也應(yīng)為零。但是由于工藝偏差，原本對(duì)稱的差分級(jí)晶體管會(huì)體現(xiàn)出不完全相同的電氣特性，導(dǎo)致運(yùn)放兩輸入為零時(shí)輸出并不為零的情況。此時(shí)如果存在一個(gè)輸入電壓VOS能令輸出電壓為零，則該電壓VOS可稱為輸入失調(diào)電壓。

失調(diào)消除技術(shù)主要有斬波穩(wěn)定、自動(dòng)調(diào)零、相關(guān)雙采樣等技術(shù)，皆以降低運(yùn)放的非理想效應(yīng)對(duì)虛地端的影響為目的，通過降低運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)和低頻噪聲（主要是1/f 噪聲），改進(jìn)運(yùn)算放大器的動(dòng)態(tài)范圍。

斬波穩(wěn)定（Chopper Stabilization,CHS）技術(shù)是E.A.Goldberg 在 1948 年提出的[6]。CHS 不同于自動(dòng)調(diào)零技術(shù)，先調(diào)零再將輸入信號(hào)采樣和放大，而是使用調(diào)制技術(shù)將需要放大的輸入信號(hào)Vin(t)乘上一個(gè)高頻方波調(diào)制信號(hào)，將低頻噪聲及失調(diào)調(diào)制到高頻，之后通過一個(gè)低通濾波器將它們完全濾掉[7]。在理想情況下，斬波技術(shù)能夠完全消除掉直流失調(diào)以及低頻段1/f 噪聲。CHS 的具體原理如圖3 所示。

圖3 斬波技術(shù)原理圖

圖3 中的輸入信號(hào)Vin(t)經(jīng)第一次調(diào)制再經(jīng)放大器后得到的信號(hào)V1(t)可表示為：

由式(9)可知，輸入信號(hào)Vin(t)被調(diào)制到高頻斬波頻率的奇數(shù)次項(xiàng)。各節(jié)點(diǎn)波形如圖4 所示。

圖4 斬波放大器各節(jié)點(diǎn)波形

信號(hào)V1(t)在經(jīng)解調(diào)后得到的信號(hào)V2可表示為:

由式(9)和式(10)可見，信號(hào) V1(t)經(jīng) m2(t)解調(diào)后仍然處在m2(t)的奇數(shù)諧波處，將失調(diào)電壓和輸入噪聲調(diào)制到高頻處，可以借助于一個(gè)低通濾波器，只留下低頻輸入信號(hào)。

4 應(yīng)用斬波技術(shù)的開關(guān)電容式放大器

實(shí)際產(chǎn)生的ΔVBE在幾十毫伏數(shù)量級(jí)，雖然具有正溫度特性，但每攝氏度幾毫伏的變化量過于微弱，會(huì)使后級(jí)ADC 模塊設(shè)計(jì)難度增高。綜合考慮各種因素后，需將ΔVBE進(jìn)行放大。為在放大過程中降低噪聲、失調(diào)等因素的影響，設(shè)計(jì)一款應(yīng)用斬波技術(shù)的開關(guān)電容式全差分放大器。器件整體結(jié)構(gòu)如圖5 所示。基于高精度溫度傳感器要求，通過時(shí)序控制引入可修調(diào)基準(zhǔn)電壓Vref，使ΔVBE正溫度特性曲線做上下微移，可使后級(jí)ADC 能夠準(zhǔn)確量化各溫度所對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼。

圖5 開關(guān)電容放大器整體結(jié)構(gòu)

電路工作時(shí)序及波形圖如圖6。各階段對(duì)應(yīng)的等效電路如圖7 所示。

圖6 電路工作時(shí)序波形

圖7 等效電路

在流片后可通過修調(diào)VREF1值來使得溫度特性曲線上下微移，實(shí)現(xiàn)與ADC 量化階梯校準(zhǔn)的功能。

全差分運(yùn)放采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，主運(yùn)放采用大尺寸PMOS 管為輸入管，既能降低工藝失調(diào)，又能因其溝道載流子為空穴而降低熱噪聲對(duì)運(yùn)放的影響[8]。在兩級(jí)運(yùn)放輸出之間使用米勒補(bǔ)償，使運(yùn)放具有足夠的相位裕度和穩(wěn)定性。經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)得到的頻率特性仿真結(jié)果如圖8 所示。仿真輸出波形如圖9 所示。

圖8 頻率特性仿真結(jié)果圖

圖9 運(yùn)放輸出波形仿真結(jié)果圖

將運(yùn)放輸出電壓與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，誤差如圖10 所示。可見差值在50μV 左右，誤差小于0.5個(gè)LSB，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)感溫電壓ΔVBE的精確放大。

圖10 運(yùn)放輸出電壓與理論計(jì)算值誤差

5 結(jié)束語(yǔ)

基于對(duì)動(dòng)態(tài)匹配技術(shù)和斬波穩(wěn)定技術(shù)相關(guān)知識(shí)的簡(jiǎn)介，運(yùn)用DEM 技術(shù)，設(shè)計(jì)一款應(yīng)用斬波技術(shù)的開關(guān)電容式全差分運(yùn)算放大器。在兩級(jí)結(jié)構(gòu)中，第二級(jí)采用增益自舉結(jié)構(gòu)以達(dá)到足夠的增益。仿真結(jié)果表明，可實(shí)現(xiàn)的增益為101.1 dB，單位增益帶寬為7.9 MHz，相位裕度達(dá)98.3°，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。仿真值與理想值的對(duì)比也表明該放大電路能夠精確放大感溫信號(hào)，誤差在100μV 之內(nèi)，滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。