一种分段式逐次逼近型ADC的电容失配校准方法技术

本发明专利技术公开了一种分段式逐次逼近型ADC的电容失配校准方法，包括：通过开关切换使DAC的两个输出端的电压均与对应电容的权重有关，利用低位的子DAC以及复用比较器在数字域求出正的权重电压；再利用差分特性，反向拨动DAC阵列并量化，计算得到负的权重电压；其中，在校准期间，在LSB段注入抖动信号，为量化过程提供噪声，打散权重电压的固定量化误差；通过多次比较后，统计累加求平均消除抖动信号；再对正的权重和负的权重作差，消除比较器失调分量，求得实际权重。本发明专利技术能够求出MSB各位电容的实际权重，对逐次逼近型模数转换器（ADC）的电容进行精准校准，改善ADC整体的线性度。改善ADC整体的线性度。改善ADC整体的线性度。

【技术实现步骤摘要】
一种分段式逐次逼近型ADC的电容失配校准方法


[0001]本专利技术涉及数模混合集成电路设计
，具体而言涉及一种分段式逐次逼近型ADC的电容失配校准方法。

技术介绍

[0002]逐次逼近型模数转换器（SAR ADC）的原理是通过二进制搜索算法对输入信号进行量化，利用DAC、比较器和数字逻辑控制部分，控制DAC的输出电压逐次逼近模拟输入电压。
[0003]由于SAR ADC能够兼顾速度、功耗、集成度等性能，因此成为了近年来国内外ADC设计领域的研究热点。但是，SAR ADC存在DAC电容失配问题，限制其精度的进一步提升。电容失配是芯片生产制造过程中不可避免的现象，若通过增加电容值来降低其失配，则引入极大的面积和功耗成本，为了消除电容失配带来的影响对其校准是一种低成本的方案。传统的校准方案存在以下几个问题：1，用低端电容阵列校准高位电容权重，其自身失配会累加，造成校准精度下降；2，比较器失调电压会干扰校准时求解的权重值；3，量化权重时，ADC的输入等效为直流信号，其量化误差较大，导致权重不够精确。
[0004]专利号为CN107579740A的专利技术中提及一种提高流水线模数转换器输出精度的方法及模数转换器，包括以下步骤：S1：在第一级级电路中增加校准模块，所述校准模块包括开关电容阵列，所述开关电容阵列中包括至少一抖动电容；S2：在所述级电路输入信号为零时，对所述余差放大电路中每个采样电容及每个抖动电容的初始权重值进行测量和存储；S3：利用每个采样电容的初始权重值来校准所述级电路输出的数字信号，利用每个抖动电容的初始权重值在数字域完成去抖动处理，完成前台校准过程。但该专利技术需要知道每个采样电容的初始权重值，还需要每个抖动电容和采样电容与基准电容的权重比例，否则，无法完成校准。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有技术中的不足，提供一种分段式逐次逼近型ADC的电容失配校准方法，能够求出MSB各位电容的实际权重，对逐次逼近型模数转换器（ADC）的电容进行精准校准，改善ADC整体的线性度。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种分段式逐次逼近型ADC的电容失配校准方法，所述电容失配校准方法包括以下步骤：通过开关切换使DAC的两个输出端的电压均与对应电容的权重有关，利用低位的子DAC以及复用比较器在数字域求出正的权重电压；再利用差分特性，反向拨动DAC阵列并量化，计算得到负的权重电压；其中，在校准期间，在LSB段注入抖动信号，为量化过程提供噪声，打散权重电压的固定量化误差；通过多次比较后，统计累加求平均消除抖动信号；再对正的权重和负的权重作差，消除比较器失调分量，求得实际权重。
[0007]为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：进一步地，所述电容失配校准方法只对MSB段的各个电容进行校准。
[0008]进一步地，通过开关切换使DAC的两个输出端的电压均与对应电容的权重有关，利用低位的子DAC以及复用比较器在数字域求出正的权重电压的过程包括以下子步骤：将MSB段的抖动电容两端断开；选择其中一个MSB段的冗余位电容，将P端MSB段的该冗余位电容的下极板向上拨， N端MSB段的该冗余位位电容的下极板向下拨， LSB段的抖动电容的下极板接到抖动信号，利用比较器和低位的DAC量化P端和N端的差分电压得到：
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(1)；其中为MSB段的该冗余位电容C1的权重电压，表示为：
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(2)；其中为P端电容等效到MSB段的总的有效电容，为N端电容等效到MSB段的总的有效电容，是P端MSB段电容等效到P端MSB段的有效电容，是N端MSB段电容等效到P端MSB段的有效电容，是参考电压；为比较器的失调电压，为注入的抖动电压，是一个固定的量化误差；将和合在一起看作是总的误差，对累加求平均，得到的平均值约为：
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(3)。
[0009]进一步地，按照从低位到高位，依次对MSB段的每个冗余位电容进行校准。
[0010]进一步地，利用差分特性，反向拨动DAC阵列并量化，计算得到负的权重电压的过程包括以下子步骤：将P端MSB段的最低位电容的下极板向下拨，N端MSB段的最低位电容的下极板向上拨，量化的P端和N端的差分电压变为：
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(4)；同样地对累加求平均，去除和量化误差得到的的平均值为：
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(5)。
[0011]进一步地，对正的权重和负的权重作差，消除比较器失调分量，求得实际权重的过程包括以下步骤：将和相减并除以2，消除失调电压，求出MSB段相应电容的实际权重。
[0012]进一步地，所述电容失配校准方法还包括：量化结束后，在数字域中减去抖动信号，得到最终的数字输出。
[0013]基于前述校准方法，本专利技术还提及一种分段式逐次逼近型ADC的电容失配校准系统，所述电容失配校准系统包括伪随机信号发生器、开关切换单元、权重电压计算单元、抖动权重消除单元、作差单元和输出单元；所述伪随机信号发生器，连接至开关阵列，用于将产生抖动信号输出值开关阵列；在校准期间，通过伪随机信号发生器在LSB段注入抖动信号，为量化过程提供噪声，打散权重电压的固定量化误差；
所述开关切换单元用于根据外部控制指令以拨动P端和N端MSB段的每个冗余位电容的下极板，通过对开关切换使DAC的两个输出端的电压均与对应电容的权重有关；当开关切换单元正向拨动DAC阵列并量化时，所述权重电压计算单元利用低位的子DAC以及复用比较器在数字域求出正的权重电压；当开关切换单元反向拨动DAC阵列并量化时，所述权重电压计算单元计算得到负的权重电压；所述作差单元与权重电压计算单元的输出端连接，用于通过多次比较后，统计累加求平均消除抖动信号；再对正的权重和负的权重作差，消除比较器失调分量，求得实际权重；所述输出单元分别与开关阵列的输出端、作差单元的输出端和伪随机信号发生器的输出端连接，用于在量化结束后需要在数字域减去抖动信号，结合实际权重得到最终的数字输出。
[0014]本专利技术的有益效果是：本专利技术通过开关切换，使得差分DAC的两端输出与权重电压相关，然后利用低位DAC量化高位电容的权重电压。在LSB注入抖动，为比较器提供噪声，使得量化的误差不固定，最后统计求平均大大降低量化误差。同时利用差分特性，消除比较器的失调电压，进一步提升校准精度。
附图说明
[0015]图1是本专利技术校准阶段的结构框图。
[0016]图2是12位分段式电容阵列SAR ADC无校准时的动态性能示意图。
[0017]图3是12位分段式电容阵列SAR ADC校准后的动态性能示意图。
具体实施方式
[0018]现在结合附图对本专利技术作进一步详细的说明。
[0019]需要注意的是，专利技术中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本专利技术可实施的范围，其相对关本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分段式逐次逼近型ADC的电容失配校准方法，其特征在于，所述电容失配校准方法包括以下步骤：通过开关切换使DAC的两个输出端的电压均与对应电容的权重有关，利用低位的子DAC以及复用比较器在数字域求出正的权重电压；再利用差分特性，反向拨动DAC阵列并量化，计算得到负的权重电压；其中，在校准期间，在LSB段注入抖动信号，为量化过程提供噪声，打散权重电压的固定量化误差；通过多次比较后，统计累加求平均消除抖动信号；再对正的权重和负的权重作差，消除比较器失调分量，求得实际权重。2.根据权利要求1所述的分段式逐次逼近型ADC的电容失配校准方法，其特征在于，所述电容失配校准方法只对MSB段的各个电容进行校准。3.根据权利要求1所述的分段式逐次逼近型ADC的电容失配校准方法，其特征在于，通过开关切换使DAC的两个输出端的电压均与对应电容的权重有关，利用低位的子DAC以及复用比较器在数字域求出正的权重电压的过程包括以下子步骤：将MSB段的抖动电容两端断开；选择其中一个MSB段的冗余位电容，将P端MSB段的该冗余位电容的下极板向上拨， N端MSB段的该冗余位位电容的下极板向下拨， LSB段的抖动电容的下极板接到抖动信号，利用比较器和低位的DAC量化P端和N端的差分电压得到：
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(1)；其中为MSB段的该冗余位电容C1的权重电压，表示为：
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(2)；其中为P端电容等效到MSB段的总的有效电容，为N端电容等效到MSB段的总的有效电容，是P端MSB段电容等效到P端MSB段的有效电容，是N端MSB段电容等效到P端MSB段的有效电容，是参考电压；为比较器的失调电压，为注入的抖动电压，是一个固定的量化误差；将和合在一起看作是总的误差，对累加求平均，得到的平均值约为：
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(3)。4.根据权利要求3所述的分段式逐次逼近型ADC的电容失配校准方法，其特征在于，按照从低位到高位，依次对MSB段的每个冗余位电容进行校准。5.根据权利要求3所述的分段式逐次逼近型ADC的电容失配校准方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙杰，门思琪，王妮，刘伟强，刘伟，夏心怡，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：