全动态范围NS SAR ADC中的二阶失配误差整形技术制造技术

本发明专利技术公开了一种抑制噪声整形(Noise‑Shaping，NS)逐次逼近寄存器型(Successive Approximation Register，SAR)模数转换器(Analogue‑to‑Digital Converters，ADC)中电容式数模转换器(Capacitive Digital‑to‑Analogue Converter，CDAC)失配误差的二阶整形技术。通过将前两个周期产生的失配误差反馈到当前周期，二阶失配误差整形得以实现。此外，在模拟域中，通过反转最高有效位CDAC来消除最低有效位CDAC反馈的值，从而消除动态范围的损耗。该技术可以直接嵌入到SAR ADC的工作环路中，仅需增加一个比较器的输入对和一个误差采样电容。仿真结果表明，采用该整形技术后，10‑bit NS SAR ADC的信噪失真比(signal to noise and distortion ratio，SNDR)由75.7提高到84.8dB，无杂散动态范围(spurious‑free dynamic range，SFDR)由78.2提高到107.3dB。

Second order mismatch error shaping technique in full dynamic range ns SAR ADC

【技术实现步骤摘要】
全动态范围NSSARADC中的二阶失配误差整形技术
本专利技术属于高精度模数转换器
，涉及一种失配误差整形技术，尤其一种全动态范围NSSARADC中的二阶失配误差整形技术。
技术介绍
比较器噪声和CDAC失配误差带来的非线性是限制SARADC精度的两个基本的因素。因此，近年来各种有效的解决办法被提出去增强SARADC的动态性能。为了降低比较器噪声，NSSARADC将Sigma-Delta调制器的噪声整形能力引入到SARADC的工作机制中，从而将SARADC信号带宽内的比较器噪声调制到信号带宽外，进而达到更高的分辨率。为了缓解CDAC失配误差带来的非线性，数字校准是一个非常具有吸引力的解决方法。数字校准通过对失配误差进行测量并在数字域进行补偿，进而可以完全消除失配误差。但是数字校准要么需要打断SARADC的正常工作，要么需要很长的时间收敛。另一种处理失配误差的方法是利用动态元件匹配技术(DynamicElementMatching，DEM)，其通过随机的选择温度码元件从而实现对失配误差的频谱整形。然而，DEM逻辑的硬件复杂度随分辨率呈现指数增加。因为这个原因，DEM通常只适用于4-bit以内的高位电容整形。所以DEM仅能够对高位电容失配误差进行一阶噪声整形，但是低位电容的电容失配依然存在。失配误差整形(MismatchErrorShaping，MES)技术也是处理失配误差的有效方法。由于特殊的工作原理，MES技术可以直接应用到SARADC中而不需要增加额外的硬件开销。但是MES技术也有自己的缺陷。由于需要在采样阶段将上一个周期的量化值反馈到输入信号，因此信号输入范围和系统的动态范围严重缩小。此外，这种简单的反馈上一周期的量化值只能提供一阶整形效果，当失配误差较大时，MES对动态性能的提升很有限。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种全动态范围的二阶失配误差整形技术，用于整形NSSARADC中电容失配误差引入的非线性。只需要增加一个比较器输入对和一个误差采样电容。该二阶失配误差整形技术能够有效提高NSSARADC的信噪比以及无杂散动态范围。本专利技术具体采用以下技术方案解决上述技术问题：一种全动态范围NSSARADC中的二阶失配误差整形技术，在SARADC的工作环路中增加一个误差采样电容，并在工作环路中的比较器上增加一个输入对。所述失配误差整形技术具有以下步骤：步骤1，CDAC电容阵列顶极板连接共模电压，同时将第n-1周期的转换结果反馈到CDAC电容阵列底极板，如果第n-1周期的转换结果等于1，电容底极板连接到负参考电压，否则连接到正参考电压；此外，误差采样电容保持复位操作；步骤2，CDAC电容阵列顶极板和共模电压断开，将电容阵列底极板电压切换到和步骤1时相反的参考电压，使得第一误差2E(n-1)注入到电容阵列顶极板；同时，误差采样电容和电容阵列顶极板进行电荷共享，从而将2E(n-1)保存在误差采样电容上；其中，2E(n-1)表示两倍的LSB电容第n-1周期的误差；步骤3，CDAC电容阵列顶极板连接输入信号，同时将第n-2周期的转换结果反馈到CDAC电容底极板，如果转换结果等于1，电容底极板连接到正参考电压；反之则连接到负参考电压；步骤4，CDAC电容阵列顶极板和输入信号断开，将电容阵列底极板电压全部复位到共模电平，使得第二误差-E(n-2)注入到电容阵列顶极板；其中，-E(n-2)表示负的LSB电容第n-2周期的误差；步骤5，将误差采样电容连接到比较器新增的输入对，从而将第一误差2E(n-1)注入信号通路中；第一误差2E(n-1)和第二误差-E(n-2)通过比较器进行累加组合成为2E(n-1)-E(n-2)，然后进行第n个周期的SAR转换，将输入的模拟信号量化成为相应的数字码。作为本专利技术进一步优选方案，若误差采样电容是CDAC电容阵列的β倍，则增益误差表示为1/(1+β)，比较器新增的输入对的大小设置为原来的(1+β)倍。本专利技术采用上述技术方案，能产生如下技术效果：通过将本专利技术所提出的二阶失配误差整形技术嵌入SARADC工作环路中，能够有效抑制电容失配误差带来的非线性问题。本专利技术能够在仅仅需要增加一个比较器输入对和一个误差采样电容的情况下有效地对电容失配误差进行调制，能够明显改善NSSARADC的信噪比和无杂散动态范围。通过MATLAB建模仿真可知，带有3％电容失配的10bitNSSARADC在使用该整形技术后，信噪比从75.7dB提高到84.8dB，无杂散动态范围从78.2dB提高到107.3dB。附图说明图1是二阶MES结合SARADC的行为模型；图2是本专利技术的带有二阶MES的10-bitNSSARADC示意图图3是SFDR和SNDR随变量M变化的曲线；图4是本专利技术二阶MES具体实现流程图；图5是误差采样电容KT/C噪声的定义；图6是SFDR和SNDR随变量β变化的曲线；图7中的a是无MES和二阶MES的频谱对比；图7中的b是一阶MES和二阶MES的频谱对比；图8中的a是三种情况下SNDR蒙特卡洛仿真结果；图8中的b是三种情况下SFDR蒙特卡洛仿真结果。具体实施方式下面结合说明书附图对本专利技术的实施方式进行描述。本专利技术提出了一种全动态范围NSSARADC中的二阶失配误差整形技术，在SARADC的工作环路中增加一个误差采样电容，并在工作环路中的比较器上增加一个输入对。MES的原理与噪声整形相似，其将失配误差的延迟版本反馈到当前周期，从而在z域构造失配误差的高通传递函数。假设MSB电容大小完全等于其数字权重，并用MSB电容大小作为参考去定义LSB电容第n个周期的失配误差E(n)。图1展示的是二阶MES应用到SARADC中的行为级模型。为了简单起见，这里忽略了量化误差和噪声。在模拟域中，第n个周期的采样阶段，第n-1个周期中LSB失配误差E(n-1)和第n-2个周期中LSB失配误差E(n-2)的线性组合2E(n-1)-E(n-2)与输入信号Vin(n)一起注入信号通路中。然后，在转换阶段，从Vin(n)中依次移除MSB电容权重DACMSB(n)和带有失配的LSB电容权重DACLSBs(n)+E(n)，转换结束后余量电压降为零。因此，我们得到以下公式Vin(n)-(E(n)-2E(n-1)+E(n-2))＝DACMSB(n)+DACLSBs(n)(1)在数字域中，通过累加数字权值和相应量化码的乘积(DMSB(n)+DLSBs(n))，来重建相应的Vin(n)：Dout(n)＝DMSB(n)+DLSBs(n)＝Vin(n)(2)其中Dout(n)表示数字权值乘以相应量化码的和。联立公式(1)和公式(2)，然后执行z变换，我们可以得到数字输出的z域表达式：Dout(z)＝Vin(z)-E(z)·(1-2z-1+z-2)(3)公本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全动态范围NS SAR ADC中的二阶失配误差整形技术，其特征在于，在SAR ADC的工作环路中增加一个误差采样电容，并在工作环路中的比较器上增加一个输入对，所述失配误差整形技术具有以下步骤：/n步骤1，CDAC电容阵列顶极板连接共模电压，同时将第n-1周期的转换结果反馈到CDAC电容阵列底极板，如果第n-1周期的转换结果等于1，电容底极板连接到负参考电压，否则连接到正参考电压；此外，误差采样电容保持复位操作；/n步骤2，CDAC电容阵列顶极板和共模电压断开，将电容阵列底极板电压切换到和步骤1时相反的参考电压，使得第一误差2E(n-1)注入到电容阵列顶极板；同时，误差采样电容和电容阵列顶极板进行电荷共享，从而将2E(n-1)保存在误差采样电容上；其中，2E(n-1)表示两倍的LSB电容第n-1周期的误差；/n步骤3，CDAC电容阵列顶极板连接输入信号，同时将第n-2周期的转换结果反馈到CDAC电容底极板，如果转换结果等于1，电容底极板连接到正参考电压；反之则连接到负参考电压；/n步骤4，CDAC电容阵列顶极板和输入信号断开，将电容阵列底极板电压全部复位到共模电平，使得第二误差-E(n-2)注入到电容阵列顶极板；其中，-E(n-2)表示负的LSB电容第n-2周期的误差；/n步骤5，将误差采样电容连接到比较器新增的输入对，从而将第一误差2E(n-1)注入信号通路中；第一误差2E(n-1)和第二误差-E(n-2)通过比较器进行累加组合成为2E(n-1)-E(n-2)，然后进行第n个周期的SAR转换，将输入的模拟信号量化成为相应的数字码。/n...

【技术特征摘要】
1.一种全动态范围NSSARADC中的二阶失配误差整形技术，其特征在于，在SARADC的工作环路中增加一个误差采样电容，并在工作环路中的比较器上增加一个输入对，所述失配误差整形技术具有以下步骤：
步骤1，CDAC电容阵列顶极板连接共模电压，同时将第n-1周期的转换结果反馈到CDAC电容阵列底极板，如果第n-1周期的转换结果等于1，电容底极板连接到负参考电压，否则连接到正参考电压；此外，误差采样电容保持复位操作；
步骤2，CDAC电容阵列顶极板和共模电压断开，将电容阵列底极板电压切换到和步骤1时相反的参考电压，使得第一误差2E(n-1)注入到电容阵列顶极板；同时，误差采样电容和电容阵列顶极板进行电荷共享，从而将2E(n-1)保存在误差采样电容上；其中，2E(n-1)表示两倍的LSB电容第n-1周期的误差；
步骤3，CDAC电容阵列顶极板连接输入信号，同时将第n-2周期的转换结果...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴建辉，张力振，冯金宣，魏晓彤，李红，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32