CN105933004A - 一种新型高精度电容自校准逐次逼近型模数转换器 - Google Patents

Abstract

本发明中公开了一种新型高精度电容自校准逐次逼近型模数转换器，其特征在于，包括若干调整电容阵列、一校准存储器、一逐次逼近控制逻辑单元和一校准控制逻辑单元；其中，每一位待调整的采样电容C_i分别连接一调整电容阵列；调整电容阵列包括补偿电容和剩余电容，补偿电容的上极板和剩余电容的上极板均与采样电容上极板公共端连接，补偿电容下极板与C_i的下极板连接，剩余电容的下极板与采样电容C_i+1的下极板连接；比较器输出端经一选通开关、校准控制逻辑单元与该校准存储器连接；校准存储器分别与每一补偿电容的开关控制端和剩余电容的开关控制端连接；比较器输出端经一选通开关、逐次逼近控制逻辑单元与采样电容下极板开关控制端连接。

Description

一种新型高精度电容自校准逐次逼近型模数转换器

技术领域

本发明属于微电子技术领域，是一种基于电容自校准技术的新型高精度逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)。

背景技术

随着信息技术的发展，许多便携式仪器设备及电子产品都需要高精度、低功耗的模数转换器(ADC)，同时要求ADC的尺寸小、可靠性高及稳定性好。ADC作为模拟系统与数字系统接口电路的关键模块，广泛应用于雷达、通信、测控、医疗、仪表、图像和音频等领域。它的功能就是把外界的模拟量转换为与之对应的数值编码，只有通过ADC才能完成对外界信号的采集和处理。同时，通信技术和数字信号处理领域的快速发展也推动着ADC逐步向高精度和低功耗的方向发展。

随着微电子的设计、制造水平的不断提高，各类型的ADC在电路结构、算法和性能上得到了快速的发展并出现差异，其适用范围也不尽相同。SAR ADC与其他几种ADC相比，具有结构简单、精度高、功耗低等特点。传统SAR ADC的转换精度一般在8-16位，并具有中等转换速率、低功耗和低成本的综合优势，这些优势使其在更加广阔的领域中得到应用。

根据DAC阵列采用的基本器件不同，SAR ADC可以分为基于电容式的SAR ADC、基于电阻式的SAR ADC和基于电流源式的SAR ADC，其中基于电容式的SAR ADC是最常见的结构。电容阵列的匹配度直接影响着SAR ADC的转换特性。在高精度的应用中，减小由电容失配引起误差的校准技术显得尤为重要。

一般的校准技术有两类，数字校准技术和模拟校准技术。数字校准技术是通过把电路中失配误差等影响在数字领域描述，并在数字领域对输出码进行修正，但采用这种方法校准数字输出码的准确度取决于校准参数的准确度，而目前数字校准技术普遍存在校准参数不准确的问题。模拟校准技术是利用激光对芯片元件进行修正或者在模拟领域把相关的量调整到正常数值，激光修正技术的成本高，且容易受到封装时机械应力的影响。考虑到以上各种电容自校准技术存在的问题，本发明采用模拟校准技术，通过在模拟领域把电容大小调整到正常值，进而消除电容失配产生的误差。

本发明提出了一种新型的高精度自校准SAR ADC，它具有低功耗、高精度的特点，可以大规模化应用于高集成度的系统以及便携式仪器设备中，其推广意义重大。

发明内容

本发明针对SAR ADC的高精度、低功耗特性，提出一种新型电容自校准结构。此方法大大降低了由于电容失配引起的误差，同时降低集成电路系统功耗，适用于高精度的电路系统中。

本发明的技术方案为：

一种新型高精度电容自校准逐次逼近型模数转换器，其特征在于，包括若干调整电容阵列、一校准存储器、一逐次逼近控制逻辑单元和一校准控制逻辑单元；其中，自校准逐次逼近型模数转换器中每一位待调整的采样电容C_i分别连接一所述调整电容阵列；所述调整电容阵列包括补偿电容和剩余电容，补偿电容的上极板和剩余电容的上极板均与自校准逐次逼近型模数转换器的采样电容上极板公共端连接，补偿电容下极板与该采样电容C_i的下极板连接，剩余电容的下极板与该采样电容C_i的下一级采样电容C_i+1的下极板连接；自校准逐次逼近型模数转换器的比较器输出端依次经一选通开关、该校准控制逻辑单元与该校准存储器连接；校准控制逻辑单元用于将该比较器的电容比较结果形成开关选通信号存入该校准存储器中；该校准存储器分别与每一补偿电容的开关控制端和剩余电容的开关控制端连接；该比较器输出端依次经一选通开关、该逐次逼近控制逻辑单元与自校准逐次逼近型模数转换器的采样电容下极板开关控制端连接。

进一步的，调整每一位待调整采样电容C_i的补偿电容Cci，使其满足Cc_i≈2(C_i-1+Cc_i-1+Cr_i-2)-C_i-Cr_i-1(i＝M、M+1、……、N)；其中，C_i-1是采样电容C_i的低一位采样电容，C_i-2是采样电容C_i的低二位采样电容，Cc_i-1为采样电容C_i-1的补偿电容，Cr_i-1为采样电容C_i-1的剩余电容，Cr_i-1为采样电容C_i-1的剩余电容，Cr_i-2为采样电容C_i-2的剩余电容。由于C_M为最低位待调整采样电容，比C_M低位的采样电容没有补偿电容和剩余电容，即Cc_M-1＝Cr_M-1＝Cr_M-2＝0。故前两位待调整采样电容的补偿电容为Cc_M≈2C_M-1-C_M，Cc_M+1≈2C_M-1+C_M+Cc_M-C_M+1-Cr_M。

进一步的，采样电容C_i的调整电容阵列包括k个并联的调整电容Ca，每一调整电容Ca的上极板均与该采样电容上极板公共端连接；每一调整电容Ca的下极板分别与由一组互补信号控制的两个开关连接；其中，与采样电容C_i下极板连接的调整电容Ca构成所述补偿电容，与采样电容C_i+1下极板连接的调整电容Ca构成所述剩余电容。

进一步的，待调整的采样电容为从采样电容C_M到最高位采样电容C_N的连续多个采样电容。

SAR ADC是高精度ADC的常见结构，SAR ADC的分辨率一般为8～16位。电容失配产生失调电压，这种误差主要是由于工艺过程中的不精确造成的，它在仿真期间不能测量到，失配电压大概是mV量级，严重影响高精度ADC的转换特性。

该高精度SAR ADC电路采用电容阵列DAC结构。为了消除电容失配引入的误差，在高位采样电容中引入调整电容阵列，通过调整电容阵列实现采样电容从低位到高位的电容自校准。

加入调整电容阵列的SAR ADC结构如图1所示。调整电容阵列共3个端口，分别是调整电容上极板公共端①、补偿电容下极板引出端②、剩余电容下极板引出端③。为了实现高位电容自校准，我们对高位采样电容进行调整，在每一位待调整电容后连接一个调整电容阵列，如图1所示，待调整电容从采样电容C_M到最高位采样电容C_N。所有调整电容阵列的①端接入采样电容上极板公共端，构成比较器负输入端；每一位采样电容的调整电容阵列②端接入本位采样电容下极板；每一位采样电容的调整电容阵列③端接入下一位采样电容的下极板，最后一位采样电容调整电容阵列③端空置。如图1所示，每一位采样电容C_i的调整电容阵列分为两部分，第一部分是对本位采样电容的补偿电容Cc_i，由端口①与端口②之间的电容构成，第二部分是阵列中没有用于补偿本位采样电容的残余电容Cr_i，由端口①与端口③之间的电容构成。为了提高电容的利用率，调整电容阵列中没有用于补偿本位采样电容的残余电容并到下一位采样电容中。

采样电容C_i的调整电容阵列实现结构如图2所示。端口①为调整电容的上极板公共端；端口②为补偿电容下极板引出端，接到本位采样电容C_i的下极板；端口③为剩余电容下极板引出端，接到下一位采样电容C_i+1的下极板。第i位采样电容C_i的调整电容阵列由k(i)个调整电容Ca构成，所有调整电容的上极板接入公共端，形成端口①；每一位调整电容的下极板分别与由一组互补信号控制的两个开关相连，通过这两个开关，调整电容下极板接入端口②或端口③。通过开关选通接入端口②的电容构成补偿电容Cc_i，接入本位采样电容，改变Cc_i可以实现对本位采样电容的校准；同时没有被选通作为补偿电容而接入端口③的构成剩余电容Cr_i，并入下一位采样电容中。

通过在调整电容阵列内部选通不同电容实现采样电容从低位到高位的自校准，提高采样电容的匹配度。在每次调整阵列开关变动后，利用比较器和开关时序比较经过调整后的待调整的采样电容和其低位采样电容之和的大小，根据比较结果选出最优的补偿电容，从而达到采样电容的匹配。

以图1的高精度SAR ADC电路为例：从待调整的最低位采样电容C_M开始，通过改变其调整电容阵列的开关信号来调整其补偿电容Cc_M，使待调整采样电容C_M与其低位采样电容相匹配，使得故Cc_M≈2C_M-1-C_M。C_M的调整电容阵列没有用于补偿C_M的部分为并到下一位采样电容的残余电容Cr_M，Cr_M并到第M+1位采样电容中。继续调整高一位采样电容，改变C_M+1的调整阵列补偿电容Cc_M+1，使得C_M+1+Cc_M+1+Cr_M≈2C_M-1+C_M+Cc_M，故Cc_M+1≈2C_M-1+C_M+Cc_M-C_M+1-Cr_M。同理，C_M+1的调整电容阵列中没有用于补偿待调整采样电容C_M+1的残余电容Cr_M+1并到第M+2位采样电容中。如此往复，从采样电容的低位到高位逐一调整，使得每一位采样电容都与其低位采样电容相匹配，直至完成最高位采样电容C_N的调整。

本发明采用自校准方式达到采样电容之间较好的匹配性，在自校准期间将电容比较结果通过校准控制逻辑形成开关选通信号存入校准存储器中。然后利用校准存储器中调整阵列选通数据在每次转换之前对每一位采样电容调整阵列进行调整，使得每一位采样电容与其低位采样电容之和相等，从而有效地降低了采样电容初始失配带来的误差。

本发明中给出的新型高精度电容自校准SAR ADC电路，其优点在于：

(1)本发明中提出的新型电容自校准高精度SAR ADC，引入调整电容阵列校准电容失配误差，不仅降低了电路的功耗，也大大提高了SAR ADC可以达到的精度。调整电容阵列是该结构的一大特点，通过合理的版图布局，可以实现电容阵列的较好匹配，对ADC的应用向更高精度发展有着重大意义。

(2)调整电容阵列的复用。每一位采样电容的调整电容阵列包括本位采样电容的补偿电容和并到下一位采样电容的残余电容，增加电容利用率，在不大幅增加电路额外功耗和面积的情况下实现电容自校准。

附图说明

图1是基于电容自校准技术的高精度SAR ADC电路结构；

图2是调整电容阵列结构示意。

具体实施方式

下面通过实施方式详细说明本发明。

本发明中高精度SAR ADC的工作共有两种模式：自校准模式和模数转换模式，两种工作模式共用一个比较器。

该高精度SAR ADC的自校准工作模式可分为两个阶段，分别为复位阶段和调整阶段。在复位阶段中，采样开关SH闭合，消除比较器输入端的失调误差。随后进入调整阶段：断开采样开关SH。确定待调整的采样电容C_i，从待调整的最低位采样电容C_M开始。初始化待调整采样电容C_i的调整电容阵列，选择一部分电容作为补偿电容Cc_i连接到C_i中；利用比较器和开关时序比较接入补偿电容的待调整采样电容和低位采样电容之和的大小，通过比较结果和校准逻辑改变调整电容阵列的开关信号，从而调整补偿电容Cc_i的大小，直至待调整采样电容和低位采样电容相匹配，即C_i+Cc_i+Cr_i-1≈2(C_i-1+Cc_i-1+Cr_i-2)，Cc_i≈2(C_i-1+Cc_i-1+Cr_i-2)-C_i-Cr_i-1；调整电容阵列中没有连接到待调整采样电容的残余电容Cr_i并到下一位采样电容中。继续高一位采样电容的调整，直至完成最高位采样电容C_N的调整后，将每一位采样电容的调整阵列开关信号存入校准存储器中。

SAR ADC的模数转换模式分为采样阶段和逐次逼近阶段。采样阶段将采样开关SH闭合，采样电容上极板接入共模电平Vcm，下极板接入输入信号Vin，将输入信号采样到电容极板中。随后在逐次逼近阶段中对采样值进行保持并比较，根据比较结果改变采样电容下极板开关，进行电荷的分配，并将比较结果输出到后方数字电路中，形成一系列数字码流。如此循环往复，就可以完成逐次逼近的模数转换。

上述工作过程即为本发明的具体实施方式，其中SAR ADC的自校准模式完成了采样电容的自校准工作，将自校准所得的调整电容阵列开关信号数据存入校准存储器中。在每一次模数转换采样阶段之前，可利用校准存储器中的开关信号数据选通每一个调整电容阵列中的补偿电容，进行电容自校准。由于是基于电容式的DAC架构，整个系统可以做到低功耗；调整电容阵列的引入大大改善了采样电容的匹配性，提高了SAR ADC可以达到的精度限制。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (4)

1.一种新型高精度电容自校准逐次逼近型模数转换器，其特征在于，包括若干调整电容阵列、一校准存储器、一逐次逼近控制逻辑单元和一校准控制逻辑单元；其中，自校准逐次逼近型模数转换器中每一位待调整的采样电容C_i分别连接一所述调整电容阵列；所述调整电容阵列包括补偿电容和剩余电容，补偿电容的上极板和剩余电容的上极板均与自校准逐次逼近型模数转换器的采样电容上极板公共端连接，补偿电容下极板与该采样电容C_i的下极板连接，剩余电容的下极板与该采样电容C_i的下一级采样电容C_i+1的下极板连接；自校准逐次逼近型模数转换器的比较器输出端依次经一选通开关、该校准控制逻辑单元与该校准存储器连接；校准控制逻辑单元用于将该比较器的电容比较结果形成开关选通信号存入该校准存储器中；该校准存储器分别与每一补偿电容的开关控制端和剩余电容的开关控制端连接；该比较器输出端依次经一选通开关、该逐次逼近控制逻辑单元与自校准逐次逼近型模数转换器的采样电容下极板开关控制端连接。

2.如权利要求1所述的模数转换器，其特征在于，每一位待调整采样电容C_i的补偿电容Cci满足Cc_i≈2(C_i-1+Cc_i-1+Cr_i-2)-C_i-Cr_i-1；其中，C_i-1是采样电容C_i的低一位采样电容，C_i-2是采样电容C_i的低二位采样电容，Cc_i-1为采样电容C_i-1的补偿电容，Cr_i-1为采样电容C_i-1的剩余电容，Cr_i-1为采样电容C_i-1的剩余电容，Cr_i-2为采样电容C_i-2的剩余电容；对于最低位待调整采样电容C_M，其补偿电容为Cc_M≈2C_M-1-C_M，待调整采样电容C_M+1的补偿电容Cc_M+1≈2C_M-1+C_M+Cc_M-C_M+1-Cr_M。

3.如权利要求1或2所述的模数转换器，其特征在于，采样电容C_i的调整电容阵列包括k个并联的调整电容Ca，每一调整电容Ca的上极板均与该采样电容上极板公共端连接；每一调整电容Ca的下极板分别与由一组互补信号控制的两个开关连接；其中，与采样电容C_i下极板连接的调整电容Ca构成所述补偿电容，与采样电容C_i+1下极板连接的调整电容Ca构成所述剩余电容。

4.如权利要求1所述的模数转换器，其特征在于，待调整的采样电容为从采样电容C_M到最高位采样电容C_N的连续多个采样电容。