CN105610444A - 电容线性度自动校正的模数转换器 - Google Patents

Abstract

电容线性度自动校正的模数转换器，涉及模拟集成电路技术领域。本发明包括模数转换器和电容线性度误差校正电路，其特征在于，所述模数转换器包括主模数转换器和次模数转换器；主模数转换器的数字输出端接电容线性度误差校正电路，模拟输出端通过放大器接次模数转换器，次模数转换器的数字输出端接加法器的第一输入端，电容线性度误差校正电路的输出端接加法器的第二输入端，加法器的输出端为最终输出端。本发明在不降低电容匹配误差的情况下，抑制了电容线性度对转换结果的影响，大幅提高了转换的精度。

Description

电容线性度自动校正的模数转换器

技术领域

本发明涉及模拟集成电路技术领域。

背景技术

电荷重分配阵列是模数转换电路中一个重要的组成部分，通常用在模数转换电路的内部实现采样和数模转换。为了提高精度，对模数转换器内部的电荷重分配电路提出了更高的要求。由于电荷重分配阵列采用的是电容阵列的结构，因此电荷重分配阵列的匹配特性很大程度上取决于电容的匹配精度。

电容的匹配性是由电容的长、宽及所选电容匹配特性决定。

目前常用的提高电容匹配特性的方法如下：

选用匹配特性好的工艺来提高电容本省的匹配特性，但提高了生产设计的成本。提高电容的长、宽来提高匹配特性，但是大幅增加了功耗，同时降低了电路的带宽。采用修调电路来补偿电容的匹配特性，这种办法增加了电路设计的复杂程度，而且需要对芯片进行中测校准，增加了成本。

电容还具有二阶特性，如图1所示，电容上的偏置电压不同会使容值发生变化，根据工艺提供的不同电容值，电容的线性度变化可以从几十PPM变化到几百PPM。对于16位模数转换器来说1LSB相当于15ppm。对于18位模数转换器来说1LSB要小于1ppm。在此种应用中电容的线性度对转换的结果产生了很大的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提出一种能够实现电容线性度自动校正的模数转换器结构。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，电容线性度自动校正的模数转换器，包括模数转换器和电容线性度误差校正电路，其特征在于，所述模数转换器包括主模数转换器和次模数转换器；

主模数转换器的数字输出端接电容线性度误差校正电路，模拟输出端通过放大器接次模数转换器，次模数转换器的数字输出端接加法器的第一输入端，电容线性度误差校正电路的输出端接加法器的第二输入端，加法器的输出端为最终输出端。

设电容线性度自动校正的模数转换器的分辨率为N，所述主模数转换器的数字输出端输出K位数据，次模数转换器的数字输出端输出N‐K位数据。

例如，总体分辨率为N＝12位，即转换结果为12位数据，主模数转换器的数字输出端输出K＝5位，次模数转换器的数字输出端输出N‐K＝12‐5＝7位，更具体的例子，模数转换结果为111110000011，共12位，主模数转换器的数字输出端输出前5位11111，次模数转换器的数字输出端输出后7位0000011，主模数转换器和次模数转换器的输出相组合即为111110000011。

本发明的有益效果为，本发明的电容线性度自动校正模数转换器，与现有类似的模数转换器相比，采用电容线性度校正电路结构，在不降低电容匹配误差的情况下，抑制了电容线性度对转换结果的影响，大幅提高了转换的精度。

附图说明

图1为电容的二阶效应示意图。

图2为本发明的模数转换器结构示意图。

图3为电容线性度误差校正电路结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种电容线性度自动校正的模数转换器，包括模数转换器和电容线性度误差校正电路，其特征在于，所述模数转换器包括主模数转换器和次模数转换器；主模数转换器的数字输出端接电容线性度误差校正电路，模拟输出端通过放大器接次模数转换器，次模数转换器的数字输出端接加法器的第一输入端，电容线性度误差校正电路的输出端接加法器的第二输入端，加法器的输出端为最终输出端。

需要说明的是，主模数转换器具有两路输出：对输入信号进行AD转换后得到的数字信号，以及输入信号和对应于该数字信号的模拟信号之间的差值，如图2中的VIN‐V(D[K])。这是现有的模数转换器本身具有的功能。

电容型模数转换器采用电荷重分配阵列作为片内DAC进行比较产生转换结果，该转换结果的精度很大程度上取决于电荷重分配阵列的匹配精度。

电荷重分配阵列的精度取决内部选用的电容块的匹配精度。电容的匹配特性除了受本身的特性影响还受电容的长宽的影响。即电容的长宽比越大，电容的匹配特性越好。电容的匹配特性还受电容的线性度影响，通常电容上所加的偏置电压为基准电压、输入电压和地电平，当连接这三个电压时，由于电容线性度的影响，导致实际的电容阵列值在这三个偏置电压时都不相同，影响了电容的实际匹配特性。

本发明应用于模数转换器的结构包含主模数转换器，次模数转换器、电容线性度误差误差校正电路、加法器和差值放大器。

如图2所示，整个模数转换器的分辨率为N，其中主模数转换器转换K位数据对应的数字输出量为D[K]，次模数转换器转换N‐K位数据，对应的数字输出量为D[N‐K]。差值放大器的增益为A，可依据系统的属性自行设置。主模数转换器的输出D[K]对应的模拟电压为V(D[K])。

主模数转换器接受输入信号VIN后产生两个输出，一个输出为D[K]，传输到电容线性度校正电路中，另一个输出为模拟信号，为输入电压VIN和V(D[K])的差值，这个差值电压通过差值放大器放大A倍后再进入次模数转换器中进行模数转换，转换的结果为D[N‐K]。

主模数转换器转换的数据D[K]通过电容线性度校正电路进行校正，校正后的数据再和D[N‐K]相加得到N位输出数据D[N]。该数据即为模数转换器最终的输出。

主模数转换器转换一个粗略的转换结果用来校正电容的线性度影响。主模数转换器转换结果与输入信号之间的差值电压通过差值放大器进一步放大，放大的倍数根据主模数转换器和次模数转换器的位数设定进行调整。次模数转换器对差值放大器放大后的信号进行转换。差值放大器将差值信号放大可有效的降低由于次模数转换器的比较器失调电压带来的非线性影响。转换后的数据再和经过电容线性度校正电路校正后的主模数转换器输出结果相加得到修正后的结果。

当模数转换器开始工作时，主模数转换器的电荷重分配电容阵列进行采样，此时根据输入信号的不同会引入一个误差，即输入信号不同，由于受电容线性度影响，采样电容的值发生变化，导致采样的绝对精度变低。

当模数转换器进行转换时，接在模数转换器电容两端的偏置电压不同，由于受电容线性度影响，电容的值发生变化，导致转换的绝对精度变低。

为了保证转换的精确性，同时降低整个电路的复杂程度，电容线性度误差校正电路视模数转换器的精度要求，只校正主模数转换器数据。次模数转换器的电容线性度影响受权位影响，会产生一个缩放，因此对整体的转换精度产生影响可以忽略。

电容线性度校正电路根据主模数转换器的转换结果，再加上电容线性度系数，通过相关算法能够得出由于电容线性度对转换带来的影响，再对主模数转换器的转换结果进行处理，得到校正后的数据，抑制了主模数转换器线性度的影响。

如图3所示，输入寄存器电路接收并存储来自主模数转换器的输入数据，并将数据同步输入到校正电路中。

校正分为两部分首先是校正转换过程的电容线性度误差，其次是校正输入采样的电容线性度误差。

线性度分段存储电路中预先存储了电容的线性度系数。校正电路从线性度分段存储电路中读取对应的电容线性度系数，在根据相关的算法即可校正转换和采样过程中电容线性度引入的误差。

经过校正后的数据通过输出数据寄存器同步后发送到加法器中与次模数转换器的数据相加得到最终的输出数据。

本发明提出一种电容线性度自动校正的模数转换器结构，能够有效提高降低模数转换器的线性误差，所述模数转换器电路包括：主模数转换器、次模数转换器、加法器、电容线性度校正电路、加法器。

本发明的电容线性度自动校正的模数转换器结构由主模数转换器、次模数转换器、加法器、电容线性度校正电路、加法器构成。通过将主模数转换器的输出接到电容线性度校正电路上，使得转换和采样过程中的电容线性度误差由于校正电路的影响大幅降低。

Claims (2)

1.电容线性度自动校正的模数转换器，包括模数转换器和电容线性度误差校正电路，其特征在于，所述模数转换器包括主模数转换器和次模数转换器；

主模数转换器的数字输出端接电容线性度误差校正电路，模拟输出端通过放大器接次模数转换器，次模数转换器的数字输出端接加法器的第一输入端，电容线性度误差校正电路的输出端接加法器的第二输入端，加法器的输出端为最终输出端。

2.如权利要求1所述的电容线性度自动校正的模数转换器，其特征在于，设电容线性度自动校正的模数转换器的分辨率为N，所述主模数转换器的数字输出端输出K位数据，次模数转换器的数字输出端输出N-K位数据。