CN108649949A - 高精度转换器 - Google Patents

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Abstract

高精度转换器，涉及集成电路，本发明包括由N个转换单元构成的主单元阵列，其特征在于，主单元阵列的高X位转换单元中，每个转换单元都与一个修调阵列配对连接，N‑X≤10，N和X皆为自然数。本发明的有益效果是，在主单元阵列中，所有模块均采用相同模块，保证成品电路能达到工艺厂家提供的最大匹配精度，同时在高X位均增加修调阵列，保证最终成品电路精度达到12位及以上精度要求。

Description

高精度转换器
技术领域
本发明涉及集成电路，特别涉及高精度A/D、D/A转换器类电路。
背景技术
高精度A/D转换器，可将其量程内的任意模拟信号电平转换为其唯一对应的数字码字输出，其转换输出结果可作为操作指令直接控制整机系统进行相应操作。
高精度D/A转换器，可将其量程内任意的数字输入码字转换为其唯一对应的模拟信号输出，其转换输出结果可作为操作指令直接控制整机系统进行相应操作。
由上可知，针对高精度A/D、D/A类转换器，其转换结果的唯一性将会直接影响整机系统的操作正确性。
为保证转换结果的唯一性，通常对高精度A/D、D/A类转换器的转换线性度有较高要求。通常针高精度A/D、D/A类转换器，其核心转换模块均采用线性电容或线性电阻制作，目前主流工艺生产商所提供的线性电容或线性电阻的天然匹配精度大约在10位左右，加上管壳封装应力的影响，导致在无任何校准措施时，目前主流的工艺厂商均很难满足12位以上精度的A/D、D/A类转换器的转换精度要求。
由于目前高精度A/D、D/A类转换器需匹配的核心单元均采用线性电容阵列或者线性电阻阵列设计，故本发明中，仅需针对线性电容阵列和线性电阻阵列进行设计，无特殊说明时，不论是电容阵列还是电阻阵列均简称为单元阵列。
通常工艺厂商在制造单元阵列时，若所有模块均为相同模块，每个模块自身大小以及周边环境均完全一致，所得单元阵列匹配性较高(天然匹配度可高于0.1％，匹配精度大约等效于10位)；但若单元阵列中存在大小不一致的模块，则因单个模块自身大小以及周边环境均不一致，所得成品单元阵列匹配性较差(天然匹配精度可低于20％)。
综上所述，为最大限度提高成品电路的匹配精度，在单元阵列设计时，所有内部模块均保持相同大小，此时可达到10位左右天然匹配精度。为进一步提升转换精度，需对单元阵列引入校准措施，否则无法满足12位及以上精度的A/D、D/A转换器设计要求。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是，在内部均为相同模块的单位阵列的基础上，针对不同的精度要求，合理选择修调点，并合理设计修调方案，从而在工艺厂商仅能保证10位匹配精度的条件下，达到12位以上高精度A/D、D/A转换器的转换精度要求。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，
高精度转换器，包括由N个转换单元构成的主单元阵列，其特征在于，主单元阵列的高X位转换单元中，每个转换单元都与一个修调阵列配对连接，N-X≤10，N和X皆为自然数。
所述转换单元为电容转换单元，所述修调阵列包括R个并列设置的修调支路、一输入线、一GND接入线和一输出线，输入线接最高位转换权重单元的输入端，输出线接最高位转换权重单元的输出端；
每个修调支路包括一个二选一选择器和一个电容，二选一选择器的输出端通过该支路中的电容连接到输出线，二选一选择器的两个输入端分别连接输入线和GND接入线，二选一选择器的控制端与一个控制模块连接；
第R个修调支路的电容的电容值均为1/2R-1倍单位电容值，R为非零正整数。
或者，所述转换单元为电阻转换单元，所述修调阵列包括T个并列设置的修调支路、一输入线和一输出线；输入线和输出线分别接所在位置的转换电阻的两端；
每个修调支路包括串联设置于输入线和输出线之间的一个开关和一个电阻；
第T个修调支路的电阻阻值同相应权重位的转换电阻并连后等效电阻值等于该转换电阻值的(1-T/2N)倍，T为非零正整数，N为主转换单元的转换位数。
本发明的有益效果是，在主单元阵列中，所有模块均采用相同模块，保证成品电路能达到工艺厂家提供的最大匹配精度，同时在高X位均增加修调阵列，保证最终成品电路精度达到12位及以上精度要求。
附图说明
图1：经典N位单元阵列设计方案示意图。
图2：带修调阵列型经典N位单元阵列设计方案示意图。
图3：电容型修调阵列设计方案示意图。
图4：带修调型经典电容型12位电容阵列设计方案示意图。
图5：电阻型修调阵列设计方案示意图。
图6：带修调型经典电阻型12位R-2R阵列设计方案示意图。
具体实施方式
本发明中，无特殊说明时，后续无论是高精度ADC或者高精度DAC，均简称高精度转换器。
本发明针对N位高精度A/D、D/A转换器，共增加X个修调阵列(N-X≤10)，修调点选择在所有高X位的权重单元处。其特征在于，还包括：
该模块阵列包含1个由相同模块组成的主单元阵列和X个独立的修调阵列；
修调阵列同主单元阵列完全独立；
针对单元阵列的高X位，每位都会设计一个独立的修调阵列；
修调阵列同第X位的关系可为串联，可为并联关系；
修调阵列间彼此独立，其大小、连接关系以及类型均可不一致。
若所述转换单元为电容转换单元，所述修调阵列包括R个并列设置的修调支路、一输入线、一GND接入线和一输出线，输入线接最高位转换权重单元的输入端(图4中为BIT(X)端)，输出线接最高位转换权重单元的输出端(图4中为COMP_IN端)；
每个修调支路包括一个二选一选择器和一个电容，二选一选择器的输出端通过该支路中的电容连接到输出线，二选一选择器的两个输入端分别连接输入线和GND接入线，二选一选择器的控制端与一个控制模块连接；
第R个修调支路的电容的电容值均为1/2R-1倍单位电容值，R为非零正整数。
由于各电容修调支路为并联关系，故修调支路的各种排序方式都是等效的，“第R个修调支路”也就是“编号为R的修调支路”。以下电阻修调方式同理。
若所述转换单元为电阻转换单元，所述修调阵列包括T个并列设置的修调支路、一输入线和一输出线；输入线和输出线分别接所在位置的转换电阻的两端；
每个修调支路包括串联设置于输入线和输出线之间的一个开关和一个电阻；
第T个修调支路的电阻阻值同相应权重位的转换电阻并连后等效电阻值等于该转换电阻值的(1-T/2N)倍，T为非零正整数，N为主转换单元的转换位数。
具体的说，针对高精度转换器，若需达到N位精度，其单元阵列均需包含N位不同的权重单元，设BIT(1)～BIT(N)为权重单元，其中BIT(1)为最低权重单位，BIT(N)为最高有效位，每位权重位均采用相同模块单元组成，其N位单元阵列经典结构示意图如图1所示。
图1中BIT(1)～BIT(N)为权重单元，彼此独立，且内部具体电路图可不一致，但所有电路图均由一种或多种子器件构成，即上述单元内部只包含相同的多种子器件，但子器件种类以及同类子器件个数均可不一致。
将图1所示单元阵列增加修调阵列后，其经典结构示意图如图2所示。
图2中修调阵列彼此独立，内部可包含任意器件，且器件种类以及个数均无任何要求。修调阵列同其连接的权重单元，可为并联也可为串联接口。
综上所述：图2所示模块阵列包含1个由相同模块组成的主单元阵列和X个独立的修调阵列。由于主单元阵列中均为相同模块器件组成，保证成品电路可达到工艺厂商保证的最大匹配精度，再通过X个修调阵列进行更高精度校准，最终保证成品电路满足12位及以上精度的要求。
实施例
本发明中的带修调阵列型经典N位单元阵列设计方案，可广泛应用于高精度A/D、D/A转换器中的电容阵列以及电阻阵列中。
针对电容阵列，以12位SAR型ADC的电容型DA内核为例，修调阵列如图3所示，图2所示电路等效结构图如图4所示。
针对电阻阵列，以12位R-2R型DAC的电阻内核为例，修调阵列如图5所示，图2所示电路等效结构图如图6所示。
结论
本发明中，部分内容以12位高精度转换器为例，同时可延伸至低位包含N位的情况；
本发明中，部分内容的修调阵列以包含6个修调模块为例，同时可延伸至L个修调模块的情况，且L个模块之间大小并无固定关系，可根据实际情况设置；
本发明中，修调阵列同权重位均为并联接口，同时可延伸至串连接口以及串并联组合接口的形式，可根据实际情况设置；
本发明中，部分内容以BIT(12)和BIT(11)位引入修调阵列为例，同时可延伸至高X位均接入修调阵列的情况，且每个权重位所接入修调阵列彼此独立，可不相同。
综上所述：本发明中的带修调阵列型高精度转换器设计方案将主单位阵列完全由相同的一个或多个模块组成，保证成品电路可达到工艺厂商提供的最大匹配精度，同时在高X位均增加修调阵列，通过修调阵列进行更高精度的线性度校准，最终保证成品电路满足12位及以上转换精度要求。

Claims (3)

1.高精度转换器，包括由N个转换单元构成的主单元阵列，其特征在于，主单元阵列的高X位转换单元中，每个转换单元都与一个修调阵列配对连接，N-X≤10，N和X皆为自然数。
2.如权利要求1所述的高精度转换器，其特征在于，所述转换单元为电容转换单元，所述修调阵列包括R个并列设置的修调支路、一输入线、一GND接入线和一输出线，输入线接最高位转换权重单元的输入端，输出线接最高位转换权重单元的输出端；
每个修调支路包括一个二选一选择器和一个电容，二选一选择器的输出端通过该支路中的电容连接到输出线，二选一选择器的两个输入端分别连接输入线和GND接入线，二选一选择器的控制端与一个控制模块连接；
第R个修调支路的电容的电容值均为1/2R-1倍单位电容值，R为非零正整数。
3.如权利要求1所述的高精度转换器，其特征在于，所述转换单元为电阻转换单元，所述修调阵列包括T个并列设置的修调支路、一输入线和一输出线；输入线和输出线分别接所在位置的转换电阻的两端；
每个修调支路包括串联设置于输入线和输出线之间的一个开关和一个电阻；
第T个修调支路的电阻阻值同相应权重位的转换电阻并连后等效电阻值等于该转换电阻值的(1-T/2N)倍，T为非零正整数，N为主转换单元的转换位数。
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