CN106100639A - 一种具有误差自动校正的单斜式模数转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有误差自动校正的单斜式模数转换器电路，可用于检测多种类型传感器的输出电压信号。所述电路包含检测子系统和模数量化子系统。检测子系统包括可调基准电压产生电路(101)、比较器(102)、开关电容减法电路(103)、循环模数转换器(104)、译码器(105)。利用可调基准电压产生电路、斜坡信号和比较器直接实现对于误差方向的判断，进而确定斜坡起始信号的调整方向；通过开关电容减法电路、循环模数转换器和译码器直接量化误差的大小，从而确定斜坡起始信号需要被调整的值。本发明的模数转换器具有低噪声、高精度和高集成度等特点，可以和传感器集成在同一硅片，形成片上系统。

Description

一种具有误差自动校正的单斜式模数转换器
技术领域
本发明属于模数转换技术领域，具体涉及具有误差自动校正的单斜式(Single-Slope)模数转换器(Analog to Digital Convertor，ADC)，该模数转换器电路适用于高精度传感器的读出电路。
背景技术
一般的传感器读出电路内部都会用到模数转换器，将模拟信号转换成数字信号以便后续的电路模块进行处理，实现更为复杂的功能。单斜式模数转换器以其电路结构简单、占用芯片面积小、平均功耗低等特点被广泛的应用于各类传感器读出电路中。
图1所示为传统的单斜模数转换器(ADC)的系统结构图。如图1所示，传统的单斜ADC由比较器、锁存器、寄存器、斜坡产生器、DAC、计数器、格雷码转码电路组成。它的工作过程可以分为两步，首先采样输入信号Vin，然后用DAC产生的VRamp信号(由斜坡产生器产生的单斜信号)和Vin做比较，当VRamp比Vin大时，比较器就会翻转产生一个上升沿，锁存器会把这个上升沿转变成一个脉冲，然后寄存器把计数器此时对应的格雷码保存下来，此时寄存器里面的码值就是输入信号Vin的量化结果。对于每一次ADC的转换过程，DAC都要产生一个完整的斜坡信号，这个斜坡信号的台阶总数是和ADC的数据精度直接相关的，对于N位的数据精度，需要的台阶数为2N个。因此传统的单斜ADC具有结构简单、功耗低、单调性好的特点，适用于很多传感器结构。
但是在单斜模数转换器中由于系统和电路结构，不可避免的存在一些噪声和失调，影响到模数转换器的精度和动态特性。除了模数转换器系统所固有的量化噪声外，斜坡产生电路的失调电压(Vos，ramp)、斜坡驱动电路的失调电压(Vos，buffer)、运算放大器的有限增益产生的失调电压(Ve，dc)和开关的电荷注入产生的失调电压(Ve，switch)。将上述的失调电压折算到斜坡产生电路的输出端，会导致胁迫信号在垂直方向上发生位移，如图2A所示。以上所有的失调电压相加统计为VE。斜坡输出信号将包含上述的失调电压并做为比较器的基准电压与待量化的输入信号进行比较，会使得量化输出的数字码提前饱和，严重时影响ADC的积分非线性(INL)和微分非线性(DNL)。为了将这种不良影响消除，本发明中采用的办法是对斜坡信号的基准电压进行校正，如图2B所示，校正的依据是本发明采用的检测子系统。
发明内容
本发明目的在于提出一种具有误差自动校正的单斜式模数转换器，包括模数量化子系统，其用于将输入的模拟信号与一个单斜信号进行比较以转换为数字信号；所述单斜式模数转换器还包括检测子系统，该检测子系统用于检测所述单斜信号的误差，并根据误差的大小对该单斜信号和起始电压进行调整，以消除所述误差。
根据本发明的具体实施方式，所述检测子系统包含误差电压检测通路和误差电压量化通路，所述误差电压检测通路用于判断所述误差的正负方向，所述误差电压量化通路用于检测所述误差的大小。
根据本发明的具体实施方式，所述模数量化子系统包括一个斜坡产生器，输出的单斜电压的起始电压输出到检测子系统中，所述检测子系统对该起始电压进行检测并根据检测结果进行调整。
根据本发明的具体实施方式，所述检测子系统包括可调基准电压产生电路、比较器、开关电容减法器、循环模数转换器、译码器；其中，所述比较器将所述斜坡产生器输出的单斜电压的起始电压与所述可调基准电压产生电路输出的基准电压进行比较，判断是否存在误差，并将误差方向信号反馈到所述可调基准电压产生电路中；所述开关电容减法器对所述斜坡产生器输出的单斜电压的起始电压与所述可调基准电压产生电路输出的基准电压做差，得到所述误差的大小；所述循环模数转换器用于对所述误差的大小转换为数字码值；所述译码器对所述数字码值进行译码以产生所述可调基准电压产生电路的开关控制码；所述可调基准电压产生电路根据所述误差方向信号和所述开关控制码调整其输出的基准电压的大小。
根据本发明的具体实施方式，循环模数转换器为3位循环模数转换器；所述译码器为3-8位译码器。
根据本发明的具体实施方式，所述比较器、开关电容减法器和循环模数转换器均采用差分结构。
本发明所描述的带有自动误差校正的单斜模数转换器，能够自动检测模数转换器系统内部斜坡产生电路的等效失调电压，并予以消除，能够提升单斜模数转换器的精度及动态特性，同时不会过度提升系统的整体功耗。
单斜模数转换器内部的固有失调电压被有效的抑制甚至消除，能够优化ADC输出信号的精度和动态特性，尤其是对于积分非线性和微分非线性的改善比较明显。且对于传感器系统来说，引入的功耗负担在可承受的范围之内。
附图说明
图1为传统的单斜模数转换器的系统结构图；
图2A为失调电压引起的斜坡信号失真示意图；
图2B为针对斜坡信号的校正方法示意图；
图3为本发明的一个实施例的带有自动误差校正功能的单斜模数转换器整体电路系统示意图；
图4为本发明一个实施例的的输出电压可控的基准电压产生电路图；
图5A为校正前单斜模数转换器输出的DNL和INL仿真结果图；
图5B为根据本发明进行校正后单斜模数转换器输出的DNL和INL仿真结果图。
具体实施方式
本发明提出一种带有自动误差校正功能的单斜模数转换器。本发明对于误差的校正主要体现在斜坡产生器的输出斜坡电压上。本发明将现有技术中用于比较器的斜坡电压的起始电压(VL)与一个可调基准电压产生电路的输出基准电压(Vb)进行比较和相减，根据比较的结果和两者误差的大小反馈控制可调基准电压产生电路输出的斜坡信号起始电压，达到调整斜坡电压的目的，消除系统固有的失调电压，实现ADC系统的高精度输出。
图3是本发明的单斜模数转换器的整体电路系统框图。如图3所示，单斜模数转换器包含检测子系统和模数量化子系统。检测子系统包含可调基准电压产生电路101、比较器102、开关电容减法电路103、循环模数转换器104、译码器105。
在检测子系统中存在两路误差检测反馈通路：可调基准电压产生电路101和比较器102组成的第一通路，用于检测是否存在误差，并判断误差的正负方向；可调基准电压产生电路101、开关电容减法电路103、循环模数据转换器104(该实施例中为3位转换器)和译码器105(该实施例中为3-8位译码器)组成第二通路，用于量化误差的大小，并根据其大小反馈一个开关控制码，以调整可调基准产生电路101的输出电压，以使斜坡产生电路输出消除误差后的斜坡起始电压值VL。两条通路共同工作，共同辅助模数量化子系统。传感器的输出电压信号连接到比较器107的一端，可调基准电压产生电路101输出的斜坡起始电压连接到斜坡产生器106，其输出连接到比较器107的另一端，当比较器107输出发生翻转时，其输出被记录在锁存器108中，同时计数器111的码值通过格雷码产生电路110转换成格雷码存储在寄存器109，作为传感器输入信号的量化结果。
1.检测子系统
可调基准电压产生电路101中电阻梯的电流由带隙基准电压和电阻Rload产生，通过高精度cascode电流镜结构，如图2所示，镜像到电阻梯中，则电阻梯中每一个可调电压的步长为：
ΔVstep＝Vbg×RX/Rload (1)
从式(1)中可以看出，该电压与电阻绝对值无关，而只与电阻的比值相关；且Vbg是一个与温度无关的量，从而保证了可调电压的变化值同样与温度无关。
图4显示了本发明的输出电压可控的可调基准电压产生电路。如图4所示，该可调基准电压产生电路的输出电压是可调的。4个PMOS管M5、M6、M7和M8组成的电流镜结构保证I1和I2的电流相等，4个NMOS管M1、M2、M3和M4同样组成的电流镜结构保证I2和I3的电流相等，则电阻梯上每个电阻两端的电压差为VX＝I3×RX＝I1×RX。同时由于运算放大器A1正负输入端虚短的原则，结点VR的电压与外部输入电压Vbg相等，因此I1＝Ibg＝Vbg/Rload，VX＝Vbg×RX/Rload，VX的大小由电阻RX和Rload的比值与Vbg决定。在版图设计中，Rload和RX均由相同大小的单元电阻组成，使得RX与Rload的比值成为电阻个数的比值，而与各自电阻的绝对值无关，避免了芯片制备过程中工艺偏差带来的影响。另一方面，由运算放大器A2、Mp和电阻梯组成的环路使得结点VA的电压等于Vbg，在确定了VA的电压值后，再根据斜坡电压VL和VH的要求，在电路设计中调整电阻梯阻值的大小，即可得到相应的VL和VH。且输出电压VL和VH分别由16个开关(SL，p1～SL，p8、SL，n1～SL，n8、SH，p1～SH，p8、SH，n1～SH，n8)进行选通，开关的状态由误差判别系统控制。因此，VL和VH可以各自在自身的默认输出值上下变化±8VX。
再参看图3所示，在比较器中将基准电压和斜坡输出起始电压进行比较，根据比较器的输出决定在可调基准电压产生电路中VL和VH的调节方向。以VL为例，当比较器的输出为1时，选择SL，p1～SL，p8进行控制；当比较器的输出为0时，选择SL，n1～SL，n8进行控制。另一方面，通过开关电容采样电路，将基准电压和斜坡输出起始电压进行相减，得到误差电压值VE。并将此误差电压通过3bit的cyclic ADC进行量化输出，得到的3bit输出码值通过3-8译码器得到最终的开关控制码，输出到可调基准电压产生电路中对电阻梯中的开关进行控制。至此，能够完成对于误差的判别-量化-校正的过程。
通过预先设计好的电阻的比值，能够决定可调电压的步长的精确电压值。
电阻梯上的开关受3-8译码器的控制，根据检测第一通路和检测第二通路的反馈控制，实现不同的斜坡信号起始电压值，达到消除误差的目的。
2.模数量化子系统
斜坡产生器106电路采用动态偏置的方法，当模数转换处于静默时，其偏置电流维持在最小值，仅用于维持输出固定的斜坡电压值；当模数转换处于动作时，其偏置电流会根据需要驱动的负载进行动态调整；该方法能够降低系统的平均功耗。
该实施例中设计为10位单斜ADC，电源电压3.3V，VL为1.2V，VH为2.8V，转换速率32KHz为例，可调基准电压产生电路中的VX采用1.5mV，可对斜坡电压进行±12mV的调节校正。能够将ADC的DNL和INL从校正前的+1/-1.91LSB和+1.26/-2.01LSB优化校正到+0.51/-0.53LSB和+0.63/-0.71LSB，如图5所示(图5A和图5B分别为校正前、后的单斜模数转换器输出的DNL和INL仿真结果图)。
对于多路信号的传感器系统，尤其是大阵列的图像传感器系统，本发明中的误差校正模块属于芯片级共用，引入的额外功耗均摊在各路信号通路中，不会引起过大的功耗负担。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有误差自动校正的单斜式模数转换器，包括模数量化子系统，其用于将输入的模拟信号与一个单斜信号进行比较以转换为数字信号；其特征在于：
所述单斜式模数转换器还包括检测子系统，该检测子系统用于检测所述单斜信号的误差，并根据误差的大小对该单斜信号和起始电压进行调整，以消除所述误差。
2.如权利要求1所述的具有误差自动校正的单斜式模数转换器，其特征在于，所述检测子系统包含误差电压检测通路和误差电压量化通路，所述误差电压检测通路用于判断所述误差的正负方向，所述误差电压量化通路用于检测所述误差的大小。
3.如权利要求2所述的具有误差自动校正的单斜式模数转换器，其特征在于，
所述模数量化子系统包括一个斜坡产生器，输出的单斜电压的起始电压输出到检测子系统中，所述检测子系统对该起始电压进行检测并根据检测结果进行调整。
4.如权利要求3所述的具有误差自动校正的单斜式模数转换器，其特征在于，所述检测子系统包括可调基准电压产生电路、比较器、开关电容减法器、循环模数转换器、译码器；其中，
所述比较器将所述斜坡产生器输出的单斜电压的起始电压与所述可调基准电压产生电路输出的基准电压进行比较，判断是否存在误差，并将误差方向信号反馈到所述可调基准电压产生电路中；
所述开关电容减法器对所述斜坡产生器输出的单斜电压的起始电压与所述可调基准电压产生电路输出的基准电压做差，得到所述误差的大小；
所述循环模数转换器用于对所述误差的大小转换为数字码值；
所述译码器对所述数字码值进行译码以产生所述可调基准电压产生电路的开关控制码。
所述可调基准电压产生电路根据所述误差方向信号和所述开关控制码调整其输出的基准电压的大小。
5.如权利要求4所述的具有误差自动校正的单斜式模数转换器，其特征在于，循环模数转换器为3位循环模数转换器；所述译码器为3-8位译码器。
6.如权利要求4所述的具有误差自动校正的单斜式模数转换器，其特征在于，其特征在于：所述比较器、开关电容减法器和循环模数转换器均采用差分结构。
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