一种内嵌EEPROM的双电源数字电位计设计

罗永波，隽 扬

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

一种内嵌EEPROM的双电源数字电位计设计

罗永波，隽 扬

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

设计了一种基于嵌入式EEPROM工艺的双电源数字电位计。通过两线的I2C总线来控制电路内部EEPROM单元，调节数字电位计的输出电阻或电压。电路采用正负电源供电，同时集成了两路256个抽头可变电位计输出。由于内部集成了EEPROM单元，当电路突然掉电后依然保存抽头设置信息，重新上电后，自动恢复到掉电前电阻抽头的设定位置。该电路采用SMIC 0.18 μm EEPROM工艺设计，版图面积为6.76 mm2，采用Hsim对整个电路进行仿真。仿真和测试结果表明，该电位计电路的整体非线性小于±1 LSB，级间非线性小于±0.5 LSB，输出电阻温度系数小于±100×10-6/℃，EEPROM上电恢复时间小于5 ms，可广泛应用于控制系统、参数调整和信号处理领域。

数字电位计；EEPROM；I2C总线

1 引言

随着电子系统不断小型化和精密化的设计要求，内嵌非易失性存储器设计的数字电位计电路由于具有接口电路简单、系统易于实现、输出线性可靠、温度稳定特性良好、噪声小、极长的工作寿命和无机械磨损等诸多特点，越来越被广泛应用在阻抗调节、增益调节、电机调速、音频控制、工业精密控制等应用领域[1~3]。本文介绍了基于嵌入式EEPROM工艺设计的双电源数字电位器电路，由于采用了内嵌EEPROM单元，可实现电路掉电后自动恢复存储信息的功能，并采用正负温度补偿技术，实现了输出电阻温度系数小于±100×10-6，符合了目前精密控制领域的设计要求。

2 数字电位计结构

该数字电位计电路主要由4个子模块构成，分别为电源转换模块、I2C接口模块、EEPROM控制模块、端口输出模块。其整体电路功能框图如图1所示。

图1 电路功能框图

2.1电源转换模块

由于该数字电位计采用正负双电源供电，电源电压范围位于±2.25～±5.5 V之间，为了避免在电路设计中采用高压MOS管结构，故在电路设计中增加了电源转换模块，该模块可使逻辑控制电路工作在3.3 V左右的电压条件下。

图2 电源转换模块示意图

从图2电源转换模块示意图可知，该电路主要由基准电压产生电路、误差放大器和调整管等子电路组成。其工作原理是由基准电压电路产生一个相对负电源VSS为2.35 V的电压，再通过误差放大器把Vset端电压钳位在一个合适的电压，则只要NMOS调整管的宽长比足够大，电源转换电路的输出端GND1电压就可以保持在一个相对稳定的电压值上。

图3 电源转换电路内部结构图

从图3电源转换电路内部结构图可知，其基准电压产生电路采用包含两个串联基极-射极电压的基准产生器，利用自偏置共源共栅电流镜进行钳位。采用折叠式的共源共栅运算放大器与共源的PMOS管进行反馈钳位，让Vset端电压相对负电源VSS端维持在4.3 V左右，因此输出端GND1与Vset端只相差NMOS调整管的一个栅源电压VGS，只要保证NMOS调整管的宽长比足够大，其栅源电压VGS将接近阈值电压VTH，可以使GND1端相对负电源VSS保持在3.3 V左右。

2.2 I2C接口模块

I2C接口模块在数字电位计中的主要作用是对I/O端口接收到的数据进行串并转换，并对接收到的操作指令进行验证与转换，并根据I2C接口模块接收到的指令，控制电路进行读写或者其他相关操作。

由于SDA端口为一个双向端口，在每个移位寄存器输入端都有一个二选一的MUX电路，从而可以把电路内部EEPROM寄存器或者抽头存储器组的数据从SDA串行输出到I2C总线上。

2.3 EEPROM控制模块

EEPROM控制模块主要由基准电路、基准电压转化电路、振荡器、电荷泵、逻辑功能控制、BL线压读写控制、擦写读CG与SG电压控制以及EEPROM存储单元等子电路组成。存储单元主要实现电路断电后保存电阻抽头位置信息的功能，通过对EEPROM控制模块存储单元的擦写操作，可以改变单元内部信息，从而改过抽头电阻的输出电阻值。

基准电路如图5所示，该子电路主要为振荡器、比较器及基准电压转化电路提供基准电流，同时为读出放大器提供一个比较电压，启动速度快，驱动能力大。

电荷泵核心电路为传统的Dickson结构[4]，采用高压NMOS管做传输管，为七级电路，在时钟信号的作用下，各级电压被不断提升，在高压输出端接串联电阻分压产生一比较电压，在比较器电路中与基准电压进行比较，若高压超过设计值，比较器电路输出高电平使能信号，使高压电路放电，高压值下降达到设计要求。

图4 8位串并移位寄存器

图5 基准电路结构图

图6 电荷泵核心电路结构图

2.4端口输出模块

该双电源数字电位计内部包含两个数字电位计（DCP），每个DCP总阻值可分成256单元，每个数字电位计由电阻单元和CMOS开关构成。电阻分为两部分，一部分是15个阻值为16单元的模块，另一部分则是阻值分别从1到15的单元电阻构成。当需要生成从1到255的特定阻值时，可选取m（0~15）个16单元的阻值和一个为在n（0~15）的小单元阻值，这样最终电阻值为：

抽头寄存器（WRi[7:0]，i=0，1）存储了抽头位置的信息，通过译码器该信息可以分别用于控制m和n的值，最终得到电阻值。该数字电位计的高端（RHi）和低端（RLi）代表了抽头相对位置。当抽头寄存器全部置为0（WRi[7:0]=00h），抽头将接到低端（RL），输出电阻为0；相反当抽头寄存器全部置为1（WRi[7:0]=FFh），抽头将接到高端（RH），输出电阻为255。当WRi的值由小变大时，抽头位置会从RL滑动到RH，同时输出电阻也将随之线性变大。

图7 端口输出模块示意图

3 输出电阻温度特性优化设计

为了提高该数字电位计输出电阻的温度特性，减少电路在全温范围内的温漂系数，符合电子系统设计高精度的产品趋势，在该电路输出模块中的输出电阻单元设计中使用了温度特性的优化设计。为了让输出电阻温度系数满足±100×10-6/℃的设计目标，在国内现有工艺条件下采用正负温度系数补偿的方法实现。在SMIC 0.18 μm EEPROM工艺中，P+Poly_RS（2920×10-6/℃）与P+Poly_RS（SAB）（-163×10-6/℃）两种电阻模型能最好地匹配温度系数、电阻阻值和版图面积之间的协调关系。

图8显示了一个单元电阻的原理图和版图结构图，为了仿真得出电阻值，一个大小为1 mA的直流电流源流过了该电阻，对电阻PRA端的电压采样，得出图9所示的仿真波形。从图9可以明显计算出，该单元电阻的温度系数约为52×10-6/℃。

4 仿真和测试结果

该电路采用SMIC 0.18 μm EEPROM工艺进行设计和制造，版图面积为6.76 mm2。采用Hsim对整个电路进行仿真，仿真和测试结果如图10所示。仿真和测试结果表明，该电位计电路的整体非线性小于±1 LSB，级间非线性小于±0.5 LSB，输出电阻温度系数小于±100×10-6，EEPROM上电恢复时间小于5 ms，可广泛应用于控制系统、参数调整和信号处理领域。

图8 单元电阻原理图和版图结构图

图9 单元电阻温度系数优化设计结果

图10 仿真和测试结果

5 结论

本文介绍了一种基于EEPROM工艺的双电源数字电位计电路设计。电路通过仿真和测试验证，其整体非线性小于±1 LSB，级间非线性小于±0.5 LSB，输出电阻温度系数小于±100×10-6/℃，EEPROM上电恢复时间小于5 ms，可以较好地满足目前电子系统对高可靠、高精度、低温漂特性的数字电位计产品的需求。

[1] 傅思勇，杨海马，王建宇，刘瑾，刘翠，戴曙光. 基于IIC总线的数字式电位计设计[J]. 光学仪器，2011，6：72-76.

[2] 张剑平. 程控放大器及其精度研究[J]. 仪器仪表学报，2006，6：1289-1293.

[3] 徐小杰，候振义. 测量量程在线转换的简捷实现[J]. 电子技术，2003，2：47-48.

[4] Gray P R. Analysis and design of analog integrated circuits [M]. New York: Wiley, 2000.

A Design of Dual Supply Digitally Controlled Potentiometer Based on EEPROM

LUO Yongbo, JUAN Yang
（China Electronics Technology Group Corporation No.58Research Institute,Wuxi214035,China）

The paper introduces a design of dual supply digitally controlled potentiometer based on EEPROM. The EEPROM cells were controlled through two wire I2C bus,can adjust the digitally controlled potentiometer resistor or voltage output. The potentiometer has dual supply and 256 resistor taps. The potentiometer has non-volatile EEPROM storage of wiper position, so when the device is powered down suddendly, the last value stored in the non-volatile EEPROM memory. When power is restored, the contents of the non-volatile EEPROM memory are recalled and loaded into the corresponding latchs to set wipers to their initial positions. The circuit uses 0.18 μm EEPROM technology, and layout is 6.76 mm2. Hsim is used for simulating. The simulate and test results show that: the integral non-linearity of the circuit is less than ± 1 LSB, the diffenrential non-linearity is less than ±0.5 LSB, the temperature coefficient of output resistors is less than ±100×10-6/℃,the power-on delay is less than 5 ms. This digitally controlled potentiometer can be used in wide variety of applications including control, parameter adjustments, and signal processing.

digitally controlled potentiometer; EEPROM; I2C

TN402

A

1681-1070（2014）10-0011-05

罗永波（1982—），男，浙江台州人，毕业于电子科技大学微电子与固体电子学院，现在中国电子科技集团公司第58研究所从事高性能数模混合集成电路设计工作。

2014-04-14