CN107437944A - 一种带片内数字自校准的电容型逐次逼近模数转换器及其自校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带片内数字自校准的电容型逐次逼近模数转换器及其自校准方法。本发明包括权重寄存器、电容型SAR ADC和校准单元;其中校准单元包括sigma‑delta ADC、采样保持电路、数字校准电路;该采样保持电路的输入端与信号输入端连接,该采样电路的输出端经该sigma‑delta ADC与该数字校准电路连接;该电容型SAR ADC的比较器输出端与该数字校准电路连接;该数字校准电路与该权重寄存器连接,用于根据D1、D2对该权重寄存器中的权重值进行更新;该权重寄存器与该电容型SAR ADC的比较器输出端连接。本发明提高了模数转换电路的有效位数,降低了校准电路的面积开销。
Description
技术领域
本发明属于微电子与固体电子学技术领域,为了提高逐次逼近型SAR(SuccessiveApproximation)模数转换器ADC有效精度,提出了一种基于片内可集成的数字域算法的电容阵列自校准技术。
背景技术
随着信息技术的发展,许多物联网,可穿戴电子设备应用都需要高采样率,高精度、低功耗和小尺寸的模数转换器。ADC作为现实模拟信号世界与计算机系统数字信号世界之间的接口在军事、通信、成像、音频、医疗等领域具有着关键的作用。它把现实世界的模拟信号经过采样、量化转换为与之对应的二进制编码,便于计算机系统对信息的进一步处理。随着电子消费品应用的多样化发展,ADC结构的设计也逐步向着高精度和低功耗方向发展。
各类型的ADC在电路结构,算法原理,性能,功耗和硬件面积开销上都有显著的差异,不同应用也往往会对各种指标进行折中,选择与之相适应的ADC结构。而逐次逼近型ADC作为一种具有中高速度、中高精度、低功耗且结构简洁的常见模数转换器,正得到越来越多应用的青睐。传统SAR ADC的分辨率一般在8~16位之间,较高精度的SAR ADC一般需要经过校准才能达到相应的有效位数。
SAR ADC一般主要由DAC阵列,逐次逼近控制逻辑和Latch比较器构成。根据DAC阵列的不同,可将其分为电容型SAR ADC、电阻型SAR ADC、电容电阻混合型SAR ADC和电流型SAR ADC等类型。其中,由于功耗较低,电容型SAR ADC是最常见的结构。电容型SAR ADC的精度损失主要来自于电容之间的工艺和匹配误差。理想模型下的N位电容型SAR ADC结构每一位的电容应该是前一位的两倍,最低位到最高位呈二进制编码,而现实情况下的电容不匹配,会造成SAR ADC产生丢码、错码情况,从而损害SAR ADC的各项静态与动态性能指标,从而降低了SAR ADC的有效位数。
SAR ADC的校准技术一般分为模拟和数字两类。模拟方法核心思想一般为通过控制可调电容阵列逐位调整SAR ADC的采样电容值,使之与前一位电容值成两倍关系匹配,需要复杂的时序和版图设计。数字方法较之模拟方法更为常用,一般基于最小二乘法对各位电容权重值进行拟合,往往需要芯片与外界软件或FPGA计算资源。与外界的通信增加了校准的不可靠性。
本发明提出了一种新型的基于片内数字算法的高精度自校准SAR ADC,它具有低功耗、高精度、能自动适应工作环境变化的特点,并可以有效应用于阵列级或多通道SARADC的场景当中,其推广意义重大。
发明内容
本发明针对电容型SAR ADC失配模型提出一种新型的基于片内数字算法的自校准结构。此方法通过片内数字校准的手段修正了每一位电容的权重值,从而提高了模数转换电路的有效位数。同时,本发明通过对数字电路的优化,降低了校准电路的面积开销,使其能够与SAR ADC集成在一起。
本发明的技术方案为:
一种带片内数字自校准的电容型逐次逼近模数转换器,其特征在于,包括权重寄存器、电容型SAR ADC和校准单元;其中所述校准单元包括sigma-delta ADC、采样保持电路、数字校准电路;
该采样保持电路的输入端经第一校准控制开关与信号输入端连接,该采样电路的输出端经该sigma-delta ADC的输入端连接,将采样结果发送给该sigma-delta ADC,该sigma-delta ADC的输出端与该数字校准电路连接,用于对该采样结果进行量化并截取量化结果高n位得到D1发送给该数字校准电路;
该电容型SAR ADC的比较器输出端经第二校准控制开关与该数字校准电路连接,用于将n位量化结果D2发送给该数字校准电路;n为电容型SAR ADC的位数;
该数字校准电路与该权重寄存器连接,该数字校准电路用于根据D1、D2对该权重寄存器中的权重值进行更新;
该权重寄存器与该电容型SAR ADC的比较器输出端连接,用于存储该SAR ADC中每一位电容的权重值,以及对该电容型SAR ADC输出的n位量化结果D2进行加权计算后输出。
进一步的,所述数字校准电路用于根据D2和该权重寄存器中当前的权重值计算D2的加权值;然后将该加权值与D1相减后得到一误差error;然后利用更新步长α和该误差error值对该权重寄存器中的权重值进行迭代更新。
进一步的,更新所述权重值的公式为:其中,Wi(old)为该权重寄存器中第i位当前的权重,Wj(old)为该权重寄存器中第j位当前的权重,Wj(new)为该权重寄存器中第j位更新后的权重,D2i为D2中第i位量化结果,D2j为D2中第j位量化结果,α为更新步长。
进一步的,α取值设定在1/28LSB~1/210LSB之间。
进一步的,该sigma-delta ADC为有效位数高于n的基于2阶1比特开关电容采样sigma-delta调制器的sigma-delta ADC。
一种带片内数字自校准的电容型逐次逼近模数转换器的自校准方法,其步骤包括:
1)在校准模式下,sigma-delta ADC和电容型SAR ADC对同一信号同时进行采样;然后该sigma-delta ADC的输出端对采样结果进行量化并截取量化结果高n位得到D1发送给该数字校准电路,该电容型SAR ADC对采样结果进行量化得到的n位量化结果D2发送给该数字校准电路;n为电容型SAR ADC的位数;该数字校准电路根据D1、D2对权重寄存器中的权重值进行更新;每次迭代更新后的权重值存储在该权重寄存器中;
2)在非校准模式下,电容型SAR ADC对输入信号进行采样,然后对采样结果进行量化得到的n位量化结果发送给该权重寄存器;然后改权重寄存器根据存储的权重值对该n位量化结果进行加权计算后输出。
本发明的新型高精度片上数字自校准逐次逼近模数转换器包括一个有效位数高于n(n为待校准的SAR ADC的位数)的基于2阶1比特开关电容采样sigma-delta调制器的sigma-delta ADC(过采样模数转换器),权重寄存器,逐次逼近控制单元和校准算法数字校准电路。SAR ADC工作分为采样和转换阶段,在两个阶段其电容上极板电荷守恒,下极板采样时连接输入信号Vin,转换时根据逐次逼近控制电路连接参考电压信号或者参考地信号。假设Vcm为0,在采样阶段有QT为n位采样电容在采样阶段的总积累电荷,Vin为输入电压,Ci为第i位电容值,Ctot为所有位电容总和。在转换阶段结束后,可以得到其中,Di为逐次逼近控制逻辑对第i位电容产生的控制码,Vref为输入参考电压,VTP为采样电容上极板电压。上级板电荷守恒,上述两式相等,又由于在最后一位转换结束时,上级板电压VTP值与Vcm之差小于1LSB。最终,对于一个n位的SARADC,可以得到其中n为SAR ADC位数,Wi为第i位电容的权重,其值等于该位采样电容值与所有采样电容值之和的比值。在数字域表示下,理想的n位SARADC的最高位权重到最低位权重分别由n位二进制数1000…000到0000…001表示。由于工艺带来的偏差,每一位的权重都会偏离其理想的二进制值,本发明通过一个更高精度的sigma-delta ADC对一个电容型SAR ADC进行校准,使得校准后的电容数字权重值接近于真实值。
进一步的,在校准工作状态下,高精度的sigma-delta ADC和待校准的SAR ADC对相同的输入信号进行采样和量化,sigma-delta ADC截取其量化结果高n位得到D1=<D11,D12,…,D1n>,SAR ADC的n位量化结果为D2=<D21,D22,…,D2n>。由于sigma-delta ADC和SARADC的采样率在不同的量级,sigma-delta ADC对其输入信号需要进行采样保持,在此期间,SAR ADC在对与sigma-delta ADC相同输入信号采样转换产生D2后对D2进行暂存,并继续对后续输入信号进行量化。
进一步的,当sigma-delta ADC完成对一个输入信号的量化产生D1时,数字算法可以利用D1,D2对SAR ADC每一位电容的权重进行更新,更新公式为: 其中是利用现有寄存器中第i位的权重Wi(old)和SAR ADC产生数字码D2i产生的加权模数转换输出值,D1为高精度sigma-delta产生的量化值,可以认为是理想值,对每一个逐次逼近控制信号为高电平的电容的权重Wj都以步长α来更新。在确保Wj的收敛性并考虑每一位Wj的收敛速度情况下,α可设定在1/28LSB~1/210LSB之间。
进一步的,本发明通过适当地逻辑优化减小了数字算法电路的开销,在 中D2j为一比特1/0信号,乘法的实现只需要二路选择逻辑,同理的计算也只需要选择与加法逻辑。α被设定为1/2kLSB(k∈[8,10]),Wj的更新量为截掉低k位,高位补k位0。综上,数字电路只需要简单选择,截取,补0和加法逻辑。
进一步的,由于数字电路的输入时钟频率远高于模拟电路的工作频率,电路的加减法操作可以时序上进行串行设计而非并行计算,例如的求和计算可以利用时序电路经过多个时钟周期在同一个加法器中进行。经过一系列高层次综合的优化,本发明可以仅利用少量数字电路计算资源实现对权重更新的所有计算操作,由于数字时钟的高速,可以保证权重更新计算所需的时间远小于sigma-delta ADC的采样周期。
SAR ADC是高精度ADC的常见结构,其分辨率一般为8~16位。工艺制造的不精确使得电容之间产生失配,从而使SAR ADC转换产生失调电压,它在仿真期间不能测量到,失调电压大概是mV量级,严重影响高精度ADC的转换特性。
本发明的高精度SAR ADC片内数字校准技术,通过利用sigma-delta ADC和SARADC的多组转换结果对各位电容权重的迭代更新,每一位的电容权重在数字域会逐渐收敛到其真实值。SAR ADC的转化结果不是直接输出,而是与每一位的校准后权重加权后得到最后的数字码输出。
该带片内数字自校准SAR ADC结构如图1所示。非校准模式下的SAR ADC由采样电容,开关阵列,比较器和权重寄存器构成。采样电容对输入信号Vin进行采样,量化时逐次逼近控制单元根据比较器比较结果选择电容下级板接入Vref或者gnd。SAR ADC的输出信号经过权重寄存器中所存权重的加权后产生最终输出。当电路处于校准模式下时,校准开关闭合,sigma-delta ADC和SAR ADC对同一个输入模拟信号进行采样。sigma-delta通路通过采样保持电路对这一信号保持,SAR ADC暂存对该信号的转换结果后继续对其他输入信号进行量化,当sigma-delta完成量化时,利用D1,D2,和上一次校准后的权重值进行对每一位权重进行重新调整,新产生的校准后权重值写回权重寄存器。为了加快算法的收敛速度,n位SAR ADC各位权重在校准开始前被初始化为1000…000到0000…001的理想n位二进制数。
数字校准电路示意图如图2所示,对于SAR ADC输出D2和上次校准后的权重W1~Wn,通过二路选择器和加法器求出D2加权后的数字输出。该加权数字输出与sigma-delta量化值D1相减后得到误差error。最后用α和error值对所有位的电容权重进行迭代更新,存回权重寄存器。如此往复,经过几千次迭代每一位的权重即可收敛,随后电路可工作在不带校准的模式。
本发明中给出的新型高精度片内数字自校准SAR ADC电路,其优点在于:
(1)本发明中提出的新型高精度片内数字自校准SAR ADC,利用更高精度的sigma-delta ADC对SAR ADC的每一位权重进行校准,每个SAR ADC的权重经过几千次左右的迭代即可收敛到实际值。由于数字电路时钟周期远大于模拟电路,本发明数字设计通过高层次综合实现了仅利用极少量的截取,选择和加法逻辑资源完成对SAR ADC电容权重的有效校准。
(2)本发明中所引入的高精度sigma-delta ADC和数字算法电路可以集成在片内,并可以被多通道和阵列级SAR ADC的应用所共享。同时,数字校准的方法可以通过不断迭代使得算法对权重的估计能够适应芯片工作温度变化,器件老化,电压漂移等非理想效应带来的变化。
附图说明
图1是基于片内数字校准算法的高精度SAR ADC电路结构;
图2是数字校准算法的结构示意。
具体实施方式
下面通过实施方式详细说明本发明。
本发明中的SAR ADC可以在校准和非校准两种模式下工作,对SAR ADC权重做一定次数的迭代后即可收敛,可在不带校准模式下工作一定时间。在阵列级SAR ADC应用下,各路SAR ADC可以对校准电路进行分时复用。
在校准模式下,sigma-delta ADC和SAR ADC对同一个信号进行同时采样。SAR ADC转换完成后等待sigma-delta ADC的转换结果,最终两路ADC得到数字输出D1=<D11,D12,…,D1n>和D2=<D21,D22,…,D2n>。这两个数字码通过数字校准电路对SAR ADC每一位权重值进行如等式进行更新,该式中每一位的加法并非并行计算,在数字电路的高频时钟中可以通过重复利用同一组加法器满足计算要求从而降低了数字电路的开销。每次更新后的权重值都存储在寄存器中,SAR ADC每一次的输出都要经过校准过后的数字权重调整。
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。SAR ADC的最终输出要经过校准过后的数字权重调整。
上述工作过程即为本发明的具体实施方式,其中SAR ADC的数字校准完成后将校准后的数字权重值存储在寄存器当中。在每一次模数转换输出之前,可利用寄存器中已被校准的权重值对SAR ADC的转换结果进行调整。由于是基于电容式的DAC架构,整个系统可以做到低功耗;数字校准电路的引入减小了电容间失配带来的影响,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 (10)
1.一种带片内数字自校准的电容型逐次逼近模数转换器,其特征在于,包括权重寄存器、电容型SAR ADC和校准单元;其中所述校准单元包括sigma-delta ADC、采样保持电路、数字校准电路;
该采样保持电路的输入端经第一校准控制开关与信号输入端连接,该采样电路的输出端经该sigma-delta ADC的输入端连接,将采样结果发送给该sigma-delta ADC,该sigma-delta ADC的输出端与该数字校准电路连接,用于对该采样结果进行量化并截取量化结果高n位得到D1发送给该数字校准电路;
该电容型SAR ADC的比较器输出端经第二校准控制开关与该数字校准电路连接,用于将n位量化结果D2发送给该数字校准电路;n为电容型SAR ADC的位数;
该数字校准电路与该权重寄存器连接,该数字校准电路用于根据D1、D2对该权重寄存器中的权重值进行更新;
该权重寄存器与该电容型SAR ADC的比较器输出端连接,用于存储该SAR ADC中每一位电容的权重值,以及对该电容型SAR ADC输出的n位量化结果D2进行加权计算后输出。
2.如权利要求1所述的电容型逐次逼近模数转换器,其特征在于,所述数字校准电路用于根据D2和该权重寄存器中当前的权重值计算D2的加权值;然后将该加权值与D1相减后得到一误差error;然后利用更新步长α和该误差error值对该权重寄存器中的权重值进行迭代更新。
3.如权利要求1或2所述的电容型逐次逼近模数转换器,其特征在于,更新所述权重值的公式为:其中,Wi(old)为该权重寄存器中第i位当前的权重,Wj(old)为该权重寄存器中第j位当前的权重,Wj(new)为该权重寄存器中第j位更新后的权重,D2i为D2中第i位量化结果,D2j为D2中第j位量化结果,α为更新步长。
4.如权利要求3所述的电容型逐次逼近模数转换器,其特征在于,α取值设定在1/28LSB~1/210LSB之间。
5.如权利要求1所述的电容型逐次逼近模数转换器,其特征在于,该sigma-delta ADC为有效位数高于n的基于2阶1比特开关电容采样sigma-delta调制器的sigma-delta ADC。
6.一种带片内数字自校准的电容型逐次逼近模数转换器的自校准方法,其步骤包括:
1)在校准模式下,sigma-delta ADC和电容型SAR ADC对同一信号同时进行采样;然后该sigma-delta ADC的输出端对采样结果进行量化并截取量化结果高n位得到D1发送给该数字校准电路,该电容型SAR ADC对采样结果进行量化得到的n位量化结果D2发送给该数字校准电路;n为电容型SAR ADC的位数;该数字校准电路根据D1、D2对权重寄存器中的权重值进行更新;每次迭代更新后的权重值存储在该权重寄存器中;
2)在非校准模式下,电容型SAR ADC对输入信号进行采样,然后对采样结果进行量化得到的n位量化结果发送给该权重寄存器;然后改权重寄存器根据存储的权重值对该n位量化结果进行加权计算后输出。
7.如权利要求6所述的方法,其特征在于,所述数字校准电路用于根据D2和该权重寄存器中当前的权重值计算D2的加权值;然后将该加权值与D1相减后得到一误差error;然后利用更新步长α和该误差error值对该权重寄存器中的权重值进行迭代更新。
8.如权利要求6或7所述的方法,其特征在于,更新所述权重值的公式为: 其中,Wi(old)为该权重寄存器中第i位当前的权重,Wj(old)为该权重寄存器中第j位当前的权重,Wj(new)为该权重寄存器中第j位更新后的权重,D2i为D2中第i位量化结果,D2j为D2中第j位量化结果,α为更新步长。
9.如权利要求8所述的方法,其特征在于,α取值设定在1/28LSB~1/210LSB之间。
10.如权利要求6所述的方法,其特征在于,该sigma-delta ADC为有效位数高于n的基于2阶1比特开关电容采样sigma-delta调制器的sigma-delta ADC。
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