CN108599766B - 一种sar-adc高位电容阵列的计算、校准方法 - Google Patents

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Abstract

一种SAR‑ADC高位电容阵列的计算、校准方法，所述计算方法包括步骤：多次量化预计算的高位电容，并计算每次量化后预计算的高位电容的实际权值；计算每次量化后预计算的高位电容的实际权值的平均值，作为预计算的高位电容的实际权值。本发明的SAR‑ADC高位电容阵列的计算、校准方法，利用整个频域内均匀分布的电路本征噪声，对低位数ADC量化噪声频谱进行展频，从而实现高位数高精度的ADC量化噪声，并且在此过程中实现电容匹配校准。

Description

一种SAR-ADC高位电容阵列的计算、校准方法
技术领域
本发明涉及集成电路设计技术领域，特别是涉及一种SAR-ADC高位电容阵列的计算、校准方法。
背景技术
近年来，高速无线设备的发展成为驱动集成电路技术进步的重要推动力。典型的无线接收系统包括，天线、混频器、模拟滤波器、模数转换器、数字滤波器，以及降采样模块等等。其中，模数转换器是连接模拟和数字系统的桥梁，其性能直接影响着整体系统的线性度、功耗、带宽等关键技术指标。
而相较于其他模数转换器的架构，逐次逼近型模数转换器不需要线性增益模块，更适合深亚微米工艺的演进路线，目前已成为业界的研究热点。高速高精度的逐次逼近型模数转换器通常采用冗余位解决高位建立时间不够的情况，但是即便如此，电容的匹配精度依然满足不了高精度需求，因此势必要对电容进行电容匹配度校准。
发明内容
为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种SAR-ADC高位电容阵列的计算、校准方法，基于扰动理论，利用电路的本征噪声实现高位数电容阵列的校准精度。
为实现上述目的，本发明提供的SAR-ADC高位电容阵列的计算方法，包括以下步骤：
多次量化预计算的高位电容，并计算每次量化后预计算的高位电容的实际权值；
计算每次量化后预计算的高位电容的实际权值的平均值，作为预计算的高位电容的实际权值。
所述量化预计算的高位电容的步骤进一步包括以下步骤：
将低位电容的电容值作为理想的电容值；
采样阶段：预计算的高位电容及其余高位电容的下级板接地，低位电容的下级板接基准电压Vref；电容阵列的上级板短接，并与共模电压Vcm相连；
转换阶段：将预计算的高位电容的下级板从接地切换到接基准电压Vref。
进一步地，所述低位电容为电容阵列中电容权值低于预计算的高位电容的所有电容。
进一步地，所述计算每次量化后预计算的高位电容的实际权值的步骤包括以下步骤：
量化预计算的高位电容后，计算预计算的高位电容的上级板的输出电压V1，V1的计算公式如下：
V1＝Vcm+Cjp/Ctotal，
其中，Cjp为预计算的高位电容的电容值；Ctotal为预计算的高位电容所在的电容阵列的总电容值。
进一步地，所述计算每次量化后预计算的高位电容的实际权值的步骤还包括以下步骤：
计算预计算的高位电容的上级板的输出电压V1与共模电压Vcm的差值，得到预计算的高位电容的实际权值。
进一步地，所述电容阵列包括：通过上级板与比较器正向输入端相连的上端电容阵列，以及通过上级板与比较器负向输入端相连的下端电容阵列；
比较器正、负向输入端短接，且比较器正、负向输入端总的输入信号为共模电压Vcm。
进一步地，所述计算每次量化后预计算的高位电容的实际权值的步骤为：
量化预计算的高位电容后，根据电荷守恒定律，计算预计算的高位电容的上级板的输出电压V1，得到预计算的高位电容的实际权值。
进一步地，所述的SAR-ADC高位电容阵列的计算方法，还：按照高位电容在其所在的电容阵列中的电容权值从小到大的排列顺序，依次多次量化预计算的高位电容，并计算每次量化后预计算的高位电容的实际权值。
为实现上述目的，本发明提供的SAR-ADC高位电容阵列的校准方法，采用本发明中任一项所述的计算方法，计算预校准的高位电容的实际权值，并根据预校准的高位电容的实际权值，校准预校准的高位电容。
进一步地，所述的SAR-ADC高位电容阵列的校准方法，还：按照高位电容在其所在的电容阵列中的电容权值从小到大的排列顺序，依次计算预校准的高位电容的实际权值，并根据预校准的高位电容的实际权值，校准预校准的高位电容。
本发明的SAR-ADC高位电容阵列的计算、校准方法，利用整个频域内均匀分布的电路本征噪声，对低位数ADC量化噪声频谱进行展频，从而实现高位数高精度的ADC量化噪声，并且在此过程中实现电容匹配校准。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为根据本发明的基于扰动理论校准线性ADC的原理示意图；
图2为根据本发明的SAR-ADC高位电容阵列的校准电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
基于扰动理论的数字校准的本质是线性系统的可叠加性。SAR-ADC的电容阵列，特别是其中的高位电容阵列就是一个线性系统。
图1为根据本发明的基于扰动理论校准线性ADC的原理示意图。如图1所示，对于线性ADC来说，其输入是Vin和扰动信号Δa的总和，而Vin和Δa对应的输出分别为Q(Vin)和Q(Δa)，因此Q(Vin±Δa)＝Q(Vin)±Q(Δa)。
若用Δd表示Q(Δa)，则上式可以转换成Q(Vin)＝Q(Vin±Δa)-(±Δd)；
若Δa＝Δd，则两个带有扰动的转移特性曲线会和转移特性曲线重合。
若两个带有扰动的转移特性曲线完全重合，则表明转移特性曲线是线性的，且所有的位权重都收敛到最佳值。
通过上述分析可知，由于电路的本征噪声(扰动信号)在整个频域内均匀分布，因此本征噪声的注入量可以在数字域中精确的被抵消。因此既不需要额外的注入信号，也不需要复杂的校准电路；仅利用电路的本征噪声对量化噪声进行能量展频，就可以使低位数的ADC具有高位数ADC的量化噪声精度。
图2为根据本发明的SAR-ADC高位电容阵列的校准电路原理图，下面结合图2对本发明的SAR-ADC高位电容阵列的计算、校准方法进行详细阐述。本发明的SAR-ADC高位电容阵列的计算、校准方法，基于扰动理论，利用电路的本征噪声实现高位数电容阵列的校准精度。
如图2所示，在校准的过程中假设低位电容(Sub-ADC)C0p-C7p，C0n-C7n的电容值为理想的电容值。
首先，量化上端电容阵列中高一位电容C8p，并计算C8p的实际电容权值：
采样阶段：C8p的下级板连接到GND，其余高位电容的下级板也均连接到GND；并且由于低位电容采用单调切换方式来量化高位电容，因此所有低位电容的下级板均需连接到Vref(基准电压)；
比较器正向输入端输入的信号为Vcm+Vin，比较器负向输入端输入的信号为Vcm-Vin，将比较器正、负向输入端短接(即差分电容阵列的上级板短接)，则所有电容的上级板的电压值均为Vcm(共模电压)。
转换阶段：为了得到C8p的电容权值，在电路采样结束后，断开采样开关，再将C8p的下级板从GND切换到Vref。由于C8p下级板的电压发生了变化，C8p的实际权重值将会反应到电容的上级板，从而进行量化。
量化过程中具体的值可由下式表示：
(Ctotal-CSub-ADC)*Vcm+CSub-ADC*(Vcm-Vref)＝V1*(Ctotal-CSub-ADC-C8p)+(CSub-ADC+C8p)*(V1-Vref)
上式化简得到：V1＝Vcm+C8p/Ctotal
其中，Ctotal为上端电容阵列C0p-C12p的总电容值，CSub-ADC为上端电容阵列中低位电容C0p-C7p的总电容值，V1为C8p的下极板切换后比较器正向输入端的电压值。
上述转换过程中下端电容阵列C0n-C12n没有发生切换，因此比较器负向输入端的电压值保持为Vcm不变。
将比较器正、负向输入端的量化值相减，即可得到C8p的实际电容权值，采用与量化C8p相同的方法，即可得到下端电容阵列中高一位电容C8n的实际电容权值。
然后，量化上端电容阵列中高二位电容C9p，并计算C9p的实际电容权值：
通过转换得到C8p和C8n的电容值后，C8p和C8n的下级板都将接到Vref，在量化C9p时，为了使得低位电容能够量化C9p，此时的低位电容还包括C8p和C8n，采用与量化C8p相同的方法，即可得到C9p的实际电容权值。
采样阶段：在量化C9p时需先进行采样，在电路采样前，所有低位电容C0p-C8p，C0n-C8n的下级板均需连接到Vref；差分电容阵列的上级板短接，此时所有电容的上级板的电压值均为Vcm。
转换阶段：在电路采样结束后，将C9p的下级板从GND切换到Vref，此时比较器正向输入端的电压值为V1＝Vcm+C9p/Ctotal。
将比较器正、负向输入端的量化值相减，即可得到C9p的实际电容权值。
依此类推，剩余高位电容的实际电容权值，也采用与量化C8p相同的方法得到。
最后，利用电路的本征噪声来辅助ADC量化找到高位电容的实际权值，校准高位电容。
在电路中采用加和求平均的方法来找到高位电容的实际权值，对每一个电容量化N次，然后对N次的量化结果加和求平均。
如果没有噪声的话，每一次的量化噪声相同，加和平均后的量化噪声不会发生变化，因此在电路中利用与量化噪声无关的电路本征噪声，由于电路的本征噪声在一段时间的均值为0，因此其加和求平均后将会使得电路的量化噪声减小，获得更加准确的高位电容的实际权值，从而更加精准的校准高位电容。
本发明的SAR-ADC高位电容阵列的计算、校准方法，利用整个频域内均匀分布的电路本征噪声，对低位数ADC量化噪声频谱进行展频，从而实现高位数高精度的ADC量化噪声，并且在此过程中实现电容匹配校准。
本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1. 一种SAR-ADC 高位电容阵列的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
量化预计算的高位电容，并计算每次量化后预计算的高位电容的实际权值；
计算每次量化后预计算的高位电容的实际权值的平均值，作为预计算的高位电容的实际权值；
所述计算每次量化后预计算的高位电容的实际权值的步骤包括以下步骤：
量化预计算的高位电容后，计算预计算的高位电容的上级板的输出电压V1，V1 的计算公式如下：
V1=Vcm+Cjp/Ctotal，
其中，Cjp 为预计算的高位电容的电容值；Ctotal 为预计算的高位电容所在的电容阵列的总电容值；
所述量化预计算的高位电容的步骤进一步包括以下步骤：
将低位电容的电容值作为理想的电容值；
采样阶段：预计算的高位电容及其余高位电容的下级板接地，低位电容的下级板接基准电压Vref；电容阵列的上级板短接，并与共模电压Vcm 相连；
转换阶段：将预计算的高位电容的下级板从接地切换到接基准电压Vref；
所述计算每次量化后预计算的高位电容的实际权值的步骤还包括以下步骤：
计算预计算的高位电容的上级板的输出电压V1 与共模电压Vcm 的差值，得到预计算的高位电容的实际权值；
所述电容阵列包括：通过上级板与比较器正向输入端相连的上端电容阵列，以及通过上级板与比较器负向输入端相连的下端电容阵列；
比较器正、负向输入端短接，且比较器正、负向输入端总的输入信号为共模电压Vcm；
所述计算每次量化后预计算的高位电容的实际权值的步骤为：
量化预计算的高位电容后，根据电荷守恒定律，计算预计算的高位电容的上级板的输出电压V1，得到预计算的高位电容的实际权值。
2.根据权利要求1所述的SAR-ADC 高位电容阵列的计算方法，其特征在于，
所述低位电容为电容阵列中电容权值低于预计算的高位电容的所有电容。
3.根据权利要求1 所述的SAR-ADC 高位电容阵列的计算方法，其特征在于，还：
按照高位电容在其所在的电容阵列中的电容权值从小到大的排列顺序，依次多次量化预计算的高位电容，并计算每次量化后预计算的高位电容的实际权值。
4.一种SAR-ADC 高位电容阵列的校准方法，其特征在于，采用权利要求1-3中任一项所述的计算方法，计算预校准的高位电容的实际权值，并根据预校准的高位电容的实际权值，校准预校准的高位电容。
5.根据权利要求4所述的SAR-ADC 高位电容阵列的校准方法，其特征在于，还：
按照高位电容在其所在的电容阵列中的电容权值从小到大的排列顺序，依次计算预校准的高位电容的实际权值，并根据预校准的高位电容的实际权值，校准预校准的高位电容。
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