CN102386920B - 应用于时间域比较器的阈值失调校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于时间域比较器的阈值失调校准方法，通过检测输入端短接的时间域比较器的输出，先调节过零检测的粗调控制字，再调节过零检测的细调控制字，直至将阈值失调减小到校准的误差范围内；包括，重置粗调控制字和细调控制字为初始值，将时间域比较器的输入端短接；根据比较器的结果调节相应过零检测的粗调控制字直至比较结果发生变化；根据比较器的结果调节相应过零检测的细调控制字直至比较结果发生变化；断开比较器的输入端，完成阈值失调的校准。具有不影响比较器速度、不增加额外功耗和上电之后只需要工作一次的特点。在多次循环反馈调节控制字后，可以大大减小比较器的阈值失调。有效控制校准完成所需的时钟周期。

Description

应用于时间域比较器的阈值失调校准方法

技术领域

本发明是关于一种应用于时间域比较器的阈值失调校准方法，适用于现代先进工艺下的模拟集成电路设计。

技术背景

比较器是模数转换器中的重要模块，其性能直接决定转换速率和精度。为适应兼容现代先进工艺的低电压低功耗模数转换器设计需求，提出了基于脉冲宽度调制的时间域比较器用于代替传统的电压比较器。虽然这种比较器具有由于传统电压比较器的优点，但是同样存在阈值失调对电路设计带来的限制。为了减小阈值失调带来的影响，常用的解决方法是增大器件的尺寸，但是会增加功耗、芯片面积和比较器输入电容的变化，这些都违背了在低电压下设计低功耗高性能电路的设计原则。

解决比较器阈值失调的另一种方法是采用数字校准技术，这种方法的好处在于不会增加功耗和比较器输入电容的变化，只是增加上电运行一次的数字校准电路相应的芯片面积，在先进工艺下这部分数字电路的面积通常相对比较小的。两种代表性的做法是：用电流源补偿阈值失调，（见参考文献Figueiredo P.M.，Cardoso P.，LopesA.，Fachada C.，Hamanishi N.，Tanabe K.and Vital J.，“A90nm CMOS1.2v6b1GS/s two-step subranging ADC”，2006IEEE International Solid-StateCircuits Conference）但是会增加额外的功耗；改变比较器输出电容之间的比例调节阈值，（见参考文献Giannini V.，Nuzzo P.，Chironi V.，Baschirotto A.，Vander Plas G.and Craninckx,J.,“An820μW9b40MS/s Noise-Tolerant Dynamic-SARADC in90nm Digital CMOS”，2008IEEE International Solid-State CircuitsConference）但是会降低比较速度。

发明内容

本发明的目的是通过提供一种应用于时间域比较器的阈值失调校准方法，在不影响比较器速度和不增加额外功耗的前提下，使用数字电路校准时间域比较器的阈值失调。

本发明应用于时间域比较器的阈值失调校准方法，是采用以下技术手段实现的：采用分别接在所述比较器两个输入端的、两套完全相同的粗调+细调设备对所述比较器两个输入端同时进行调整，以消除调整设备自身参数变化对校准效果的影响（比较器两输入端同时变化不影响比较器输出）。通过检测输入端短接的所述比较器的输出，先调节过零检测的粗调控制字，再调节过零检测的细调控制字，直至将阈值失调减小到校准的误差范围内。

阈值失调校准方法一次正常的工作过程包括如下几个步骤：

步骤1：将所述比较器的输入端短接。

步骤2：重置控制所述比较器正、反相输入端的两组粗调+细调设备的控制字初始值分别为A和B两组。

步骤3：根据所述比较器的输出结果选择调节控制字，方法如下：

如果所述比较器输出高电平，转步骤3.1；否则，转步骤3.2。

步骤3.1：调节粗调控制字A，直至所述比较器输出结果发生变化。然后调节细调控制字B，直至所述比较器输出结果发生变化。转步骤4。

步骤3.2：调节粗调控制字B，直至所述比较器输出结果发生变化。然后调节细调控制字A，直至所述比较器输出结果发生变化。转步骤4。

步骤4：断开比较器的输入端，完成阈值失调的校准。

粗调控制字调节的是过零检测中PMOS开关管的源极电压，细调控制字调节的是所述开关管的衬底电压。衬底电压的变化对所述开关管导通电流的影响低于源极电压变化的影响，从而使细调获得比粗调小的调整量。

前述阈值失调校准方法的细调控制字的调节范围需要大于粗调控制字变化一次相应的调节范围以保证冗余；阈值失调校准的精度由细调控制字变化一次相应的调节范围决定。

本发明应用于时间域比较器的阈值失调校准方法，与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：

本发明实现了使用数字电路校准时间域比较器的阈值失调，通过粗调和细调结合的方法在较短的时间内完成了较高精度的调节，并且上电之后只需要工作一次，不会增加额外功耗。

附图说明

图1为应用于时间域比较器阈值失调校准方法的流程图；

图2为采用阈值失调校准方法的时间域比较器结构框图；

图3为采用阈值失调校准方法的时间域比较器单端电路图；

图4为阈值失调校准电路的工作时序图；

图5为本发明实施例中时间域比较器阈值偏差校准前的统计直方图；

图6为本发明实施例中时间域比较器阈值偏差校准后的统计直方图；

图7为本发明实施例中时间域比较器阈值偏差校准前后对比。

符号说明：201为采样保持电路，202为放电电流源，301为冗余开关（dummyswitch），302为放电电流源，303为采样电容，304为过零检测。

具体实施方法

以下结合说明书附图，对本发明的具体实施例加以说明：

请参阅图1所示，为应用于时间域比较器阈值失调校准方法的流程图。

图1中的粗调控制字和细调控制字分为A和B两组，分别对应控制时间域比较器的两个过零检测电路。

检测输入端短接的时间域比较器的输出，先调节过零检测的粗调控制字，再调节过零检测的细调控制字，直至将阈值失调减小到校准的误差范围内。

阈值失调校准方法一次正常的工作过程包括如下几个步骤：重置粗调控制字和细调控制字为初始值，并且将时间域比较器的输入端短接。根据比较器的结果调节相应过零检测的粗调控制字直至比较结果发生变化。根据比较器的结果调节相应过零检测的细调控制字直至比较结果发生变化。断开比较器的输入端，完成阈值失调的校准。

图2为采用阈值失调校准方法的时间域比较器结构框图。

本发明实施例中使用阈值失调校准方法的时间域比较器单端电路如图3所示。其中粗调控制字调节的是过零检测中的电阻阻值大小，细调控制字调节的是过零检测中PMOS开关M3的衬底电压。两位粗调控制字变化一次能够调节比较器的阈值10毫伏，四位细调控制字变化一次能够调节比较器的阈值1毫伏；因此，阈值调节的范围是40毫伏，调节的误差在1毫伏以内。

阈值失调校准电路完成一次工作过程的时序图如图4所示。该图只是校准电路工作中一种情况的示例，对于特定的阈值失调，只有一组粗调控制字和一组细调控制字起作用。完成整个校准电路所需要的时钟周期随着阈值失调的差值发生变化，在本实施例中，最长20个时钟周期即可完成校准。

粗调控制字通过改变电阻阻值大小起到调节的作用，使用一组只有一个连接其他全部断开的PMOS开关实现；细调控制字通过一个数模转换器改变衬底电压，数模转换器采用开关控制的电阻阵列实现。

使用蒙特卡洛仿真验证实施例中校准电路的功能。如图5所示，在没有校准阈值失调之前，比较器阈值偏移的平均值是0.43毫伏，标准差是16.15毫伏；如图6所示，在完成校准阈值失调之后，比较器阈值偏移的平均值是1.43毫伏，标准差是0.61毫伏。结合图7可知，校准电路有效的减小了时间域比较器的阈值失调的标准差，如果使用增大器件尺寸的方法不能达到这样的效果。

综上所述，本发明通过该实施例达到了设计目的，实现了基于线性脉冲宽度调制时间域比较器阈值失调的校准，具有不影响比较器速度、不增加额外功耗、调节速度快、调节精度高的特点。本发明并不限于上述实施例，可以在不偏离本发明的范围和精神的情况下对其进行修改和变化。

Claims (2)

1.一种应用于时间域比较器的阈值失调校准方法，其特征在于：采用分别接在所述比较器两个输入端的、两套完全相同的粗调+细调设备对所述比较器两个输入端同时进行调整，以消除调整设备自身参数变化对校准效果的影响；通过检测输入端短接的所述比较器的输出，先调节过零检测的粗调控制字，再调节过零检测的细调控制字，直至将阈值失调减小到校准的误差范围内；包括如下几个步骤：

步骤1：将所述比较器的输入端短接；

步骤2：重置控制所述比较器正、反相输入端的两组粗调+细调设备的控制字初始值分别为A和B两组；

步骤3：根据所述比较器的输出结果选择调节控制字，方法如下：

如果所述比较器输出高电平，转步骤3.1；否则，转步骤3.2；

步骤3.1：调节粗调控制字A，直至所述比较器输出结果发生变化；然后调节细调控制字B，直至所述比较器输出结果发生变化；转步骤4；

步骤3.2：调节粗调控制字B，直至所述比较器输出结果发生变化；然后调节细调控制字A，直至所述比较器输出结果发生变化；转步骤4；

步骤4：断开比较器的输入端，完成阈值失调的校准。

2.根据权利要求1所述的一种应用于时间域比较器的阈值失调校准方法，其特征在于：粗调控制字调节的是过零检测中PMOS开关管的源极电压，细调控制字调节的是所述开关管的衬底电压；衬底电压的变化对所述开关管导通电流的影响低于源极电压变化的影响，从而使细调获得比粗调小的调整量。

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