CN103152046A - 基于电荷补偿的sar 结构adc 修调方法及修调电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于电荷补偿的SAR结构ADC修调方法及修调电路，该电路包含寄存器组、衰减电容和修调阵列，寄存器组包含多组寄存器，修调阵列包含多个2进制权重电容网络，修调阵列通过衰减电容耦合至待修调的主电容阵列；寄存器控制修调阵列中相应的电容开关切换方向。本发明通过对失配电容进行电荷补偿达到电容匹配的目的，补偿向量可通过寄存器配置，适合量产及测试，并可在大部分工艺平台实施。

Description

基于电荷补偿的SAR 结构ADC 修调方法及修调电路

技术领域

本发明属于微电子电路设计技术，涉及基于电荷补偿的SAR结构ADC修调方法及修调电路。 

背景技术

SAR结构ADC（逐次逼近模数转换器）是ADC中很大的一个种类，对12位以上精度的SAR ADC，基本上使用电容阵列结构或电阻电容混合阵列结构，但该两种结构对电容和电阻的匹配性提出了很高的要求。目前工艺水平，常规的工艺中电容的失配在0.1%左右，理论上可能的ADC精度只能达到10位，如果需设计更高的精度ADC，大多需要进行修调，一般的修调方法是采用激光进行电容的切割实现匹配，但该方法有两个缺点：1.不适合大规模量产；2.激光修调需特殊的器件，工艺平台受限。 

发明内容

本发明的目的是提出一种基于电荷补偿的SAR结构ADC修调方法及修调电路，通过对失配电容进行电荷补偿达到电容匹配的目的，补偿向量可通过寄存器配置，适合量产及测试，并可在大部分工艺平台实施。 

本发明的技术解决方案是： 

一种基于电荷补偿的SAR结构ADC修调电路，其特殊之处是，包含一个寄存器组、一个衰减电容和一个修调阵列，所述寄存器组包含多组寄存器，所述寄存器的数量和待修调的主电容阵列的开关个数一致；所述修调阵列包含多个2进制权重电容网络，所述电容网络的数量和待修调的主电容阵列的开关个数一致，所述修调阵列通过衰减电容耦合至待修调的主电容阵列；所述寄存器控制修调阵列中相应的电容开关切换方向。 

一种基于电荷补偿的SAR结构ADC修调方法，包括以下步骤： 

步骤1初始化最高位开关对应的寄存器；SAR结构ADC中待修调的主电容阵列最高位开关（S11）闭合，将相应的比较电荷Q’注入待修调的主电容阵列,Q’=2^n-1C*Vin+ΔQ,其中：Vin为待转换的输入电压；n为待修调的主电容阵列对应开关的数量；C为待修调的主电容最低位对应的理想电容值；ΔQ=σC*Vin为误差电荷；σ为最高位开关对应电容的归一化偏差系数； 

步骤2调整步骤： 

步骤2.1通过主机接口向最高位开关对应的寄存器写入调试值，寄存器根据调试值产生相对应的调试电荷，并将调试电荷注入待修调的主阵列； 

步骤2.2将调试电荷与误差电荷进行比较，根据比较结果通过主机接口改变寄存器的调试值，直至调试电荷与误差电荷相抵消； 

步骤2.3将最终调试值固化在该寄存器中； 

步骤3按照高位到低位的顺序，重复步骤1和步骤2直至最低位的最终调试值固化在寄存器中，完成修调。 

本发明的优点是： 

1、便于量产。本发明使用主机接口改变寄存器的形式调整性能，适合大多数的测试台并适合测试编程，测试成本较低，效率高。 

2、适应平台广泛。本发明的调整过程不需要使用特殊器件，工艺平台限制少，适合大多数的工艺平台。 

3、修调范围可控，方向可控，精度高。本发明使用耦合电容控制修调范围，通过开关切换控制电荷的注入和抽取实现修调方向的控制，注入精度控制在0.1％，同时通过2进制电容网络实现256阶可调，修调精度很高，单步修调精度可达到4ppm。 

4、本发明为ADC的修调提供了一种新的方式。 

5、本发明适用于电容阵列型ADC及混合型ADC。 

6、使用本发明成功将某芯片的特性从10bit精度提高至12bit精度。 

附图说明

图1是本发明的电路原理示意图；图中：S7-S11为待修调主电容阵列的高位开关，K0-K5为修调阵列电容开关，refp为正输入基准，Vin为输入电压信号，AIN_IN为负输入基准。 

具体实施方式

本发明的电路原理示意参见图1，包含一个寄存器组、一个衰减电容和一个修调阵列，待修调的主电容阵列的开关个数为5个，相应寄存器组包含5组寄存器，相应修调阵列包括5个2进制权重电容网络；修调阵列通过衰减电容耦合至待修调的主电容阵列，寄存器控制修调阵列中相应的电容开关切换方向。 

本发明的实施流程为： 

步骤1：初始化S11开关对应的寄存器；SAR结构ADC中待修调的主电容阵列S11开关闭合，将相应的比较电荷Q’注入待修调的主电容阵列, Q’=16C*Vin+ΔQ,其中：Vin为待转换的输入电压；C为待修调的主电容S7开关对应的理想电容值；ΔQ=σC*Vin为误差电荷；σ为S11开关对应电容的归一化偏差系数； 

步骤2：调整步骤： 

步骤2.1：通过主机接口向S11开关对应的寄存器写入调试值，寄存器根据调试值产生相对应的调试电荷，并将调试电荷注入待修调的主阵列； 

步骤2.2：将调试电荷与误差电荷进行比较，根据比较结果通过主机接口改变寄存器的调试值，直至调试电荷与误差电荷相抵消； 

步骤2.3：将最终调试值固化在该寄存器中； 

步骤3：重复步骤1和步骤2直至S11至S7对应的最终调试值全部固化在寄存器中，完成修调。 

本发明原理及工作过程 

待修调的主阵列的S11开关闭合，将电容注入待修调的主阵列，理想的注入电荷为Q=16C*Vin； 

考虑到工艺偏差的比例关系，实际的C为C+σC，因此注入电荷为Q’=16C*Vin+ΔQ，ΔQ=σC*Vin，其中σ为S11开关对应电容的归一化偏差系数，因此ΔQ为误差电荷。 

在待修调的主阵列增加修调电容阵列，当进行S11操作时，通过修调阵列向主阵列注入电荷，注入电荷量由寄存器配置并使得注入电荷等于Q2=-ΔQ=-σC*Vin。 

此时S11开关操作时总的电荷注入量： 

Q1=Q’+Q2=16C*Vin+ΔQ-ΔQ=16C*Vin 

因此通过修调阵列对误差电荷的补偿，达到了理想的电荷比例。 

在S10—S7，操作中，每次操作均通过相应的寄存器控制修调阵列中的相应电容向待修调的主阵列补偿误差电荷，使得最终每次操作后的电荷注入满足8C*Vin，4C*vin，2C*vin，C*vin的严格比例关系，达到补偿了工艺的非理想偏差目的。 

在SAR型ADC中，ADC的精度严格依赖于电容阵列的比例值，但在实际工艺中都会引入偏差，使得图1中的主电容阵列比例并不相同，因此在转换过程中，每次电荷分配并不是严格遵守2进制权重的关系，导致偏差。本技术发明的方案是在S11～S7开关操作时进行电荷再分布时，通过一个电荷注入/抽取网络，向电容阵列注入或抽取一定的电荷，电荷量等于因为电容比例的 误差所损失的电荷，最终电荷分配操作+注入/抽取符合2进制权重比例关系，从而改善ADC转换时每步操作的比例关系，达到提高线性度的目的。 

本发明的主要关键在使用电荷补偿的原理对ADC中电容的失配引起的ADC线形偏差进行精确的修调，同时该技术适用寄存器配置或熔丝固化，避免了激光电容修调的过程，并避免了薄膜电阻和PIP电容的使用。 

Claims (2)

1.一种基于电荷补偿的SAR结构ADC修调电路，其特征在于：包含一个寄存器组、一个衰减电容和一个修调阵列，所述寄存器组包含多组寄存器，所述寄存器的数量和待修调的主电容阵列的开关个数一致；所述修调阵列包含多个2进制权重电容网络，所述电容网络的数量和待修调的主电容阵列的开关个数一致，所述修调阵列通过衰减电容耦合至待修调的主电容阵列；所述寄存器控制修调阵列中相应的电容开关的切换方向。

2.一种基于电荷补偿的SAR结构ADC修调方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1初始化最高位开关对应的寄存器；SAR结构ADC中待修调的主电容阵列最高位开关（S11）闭合，将相应的比较电荷Q’注入待修调的主电容阵列,Q’=2^n-1C*Vin+ΔQ,其中：Vin为待转换的输入电压；n为待修调的主电容阵列对应开关的数量；C为待修调的主电容最低位对应的理想电容值；ΔQ=σC*Vin为误差电荷；σ为最高位开关对应电容的归一化偏差系数；

步骤2调整步骤：

步骤2.1通过主机接口向最高位开关对应的寄存器写入调试值，寄存器根据调试值产生相对应的调试电荷，并将调试电荷注入待修调的主阵列；

步骤2.2将调试电荷与误差电荷进行比较，根据比较结果通过主机接口改变寄存器的调试值，直至调试电荷与误差电荷相抵消；

步骤2.3将最终调试值固化在该寄存器中；

步骤3按照高位到低位的顺序，重复步骤1和步骤2直至最低位的最终调试值固化在寄存器中，完成修调。

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