CN108649958A - Sar型adc电容重分布阵列归一化桥接电容电路 - Google Patents

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Abstract

SAR型ADC电容重分布阵列归一化桥接电容电路，涉及集成电路。本发明低N位电容阵列仅由N个低位电容构成，每个低位电容对应一个数据位；所述桥接电容的电容值为1个单位电容值；桥接电容和数据位电容均由X个独立的单位电容组成，X为自然数，取值由该电容所在位置确定，每个单位电容的电容值为1个单位电容值。本发明保证整个电容阵列均为单位电容，最大限度提升DA内核的转换线性度。

Description

SAR型ADC电容重分布阵列归一化桥接电容电路
技术领域
本发明涉及集成电路，特别涉及高精度、低功耗A/D转换器类电路。
背景技术
SAR型ADC为目前主流高精度A/D转换器的经典设计方案，其核心单元为高精度DAC内核、比较器、数字逻辑等单元。其静态功耗主要集中在DAC内核和比较器单元，为降低静态功耗，其DAC内核多采用电容重分布阵列完成，其转换精确度主要由内部DAC内核单元决定。
由上可知，电容重分布式SAR型ADC为目前主流的低功耗、高精度A/D转换器设计方案，且内部电容重分布阵列为影响整体ADC转换线性度的核心单元。针对N位SAR型ADC而言，经典电容重分布阵列如图1所示。
由图1可知，当转换位数为12位时，其电容阵列共需单位电容个数为1+20+21+22+23+···+211＝4096个，此时版图面积过大，几乎不能实现，故在针对12位以上精度低功耗SAR型A/D转换器，其电容重分布阵列多采用分段式电容进行设计，针对N+M位SAR型ADC，其经典电容重分布阵列如图2所示。
由图2可知，除桥接电容C外，其余电容均为单位电容，该结构虽可有效节约版图面积，但因桥接电容同单位电容存在严格的非整数比例关系，故而该结构的电容阵列，对电容相对精度有较高的要求。
通常工艺厂商在制造电容阵列时，若所有电容均为单位电容，每个电容自身大小以及周边环境均完全一致，所得电容阵列匹配性较高(天然匹配度可高于0.1％)；但若电容阵列中存在大小不一致的非单位电容，则因单个电容自身大小以及周边环境均不一致，所得成品中电容阵列匹配性较差(天然匹配精度可低于20％)。
综上所述，图2所示的分段电容阵列，虽可有效降低电容使用个数，但由于引入的桥接电容同阵列中其余单位电容大小不一致，故通常在工艺厂成品制作完成后，该桥接电容失配较大，从而引起整个DA内核转换线性度变差，并最终导致ADC整体转换性能变差。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是，提供一种具有更高转换线性度的电容阵列电路。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，SAR型ADC电容重分布阵列归一化桥接电容电路，包括桥接电容和由数据位电容构成的低N位电容阵列、高M位电容阵列，所有数据位电容的电容值均为单位电容值的整数倍，其倍数与其数据位权重值相对应，其特征在于，所述低N位电容阵列仅由N个低位电容构成，每个低位电容对应一个数据位；所述桥接电容的电容值为1个单位电容值；桥接电容和数据位电容均由X个独立的单位电容组成，X为自然数，取值由该电容所在位置确定，每个单位电容的电容值为1个单位电容值。
本发明的有益效果是，在主体仍采用图2所示的N+M位分段式电容阵列的基础上，优化低N位电容阵列结构，使桥接电容完全由单位电容组成，保证整个电容阵列均为单位电容，最大限度提升DA内核的转换线性度。
附图说明
图1为现有技术的经典电容重分布阵列示意图。
图2为N+M位SAR型ADC经典电容重分布阵列示意图。
图3为12位SAR型ADC经典电容重分布阵列示意图。
图4为4+8位SAR型ADC经典电容重分布阵列示意图。
图5为本发明的4+8位电容重分布阵列归一化桥接电容设计方案示意图。
具体实施方式
本发明在图2的结构中，重新配置电容重分布阵列，使桥接电容C刚好等于单位电容。本发明的电容阵列主体仍采用图2所示N+M位分段式桥接电容结构。低N位电容阵列中，去掉接GND固定电位的单个单位电容，保留BIT(1)～BIT(N)的所有电容；高M位电容阵列同图2保持一致；桥接电容C由一个或多个单位电容组成；重分布式电容阵列中，所有电容均为单位电容。
本发明提供一种SAR型ADC电容重分布阵列归一化桥接电容电路，包括桥接电容和由数据位电容构成的低N位电容阵列、高M位电容阵列，所有数据位电容的电容值均为单位电容值的整数倍，其倍数与其数据位权重值相对应。以单位电容值为100fF为例，低位的第2位电容，N＝2，则该数据位电容的电容值为2倍单位电容值，即200fF。
所述低N位电容阵列仅由N个低位电容构成，每个低位电容对应一个数据位；所述桥接电容的电容值为1个单位电容值；桥接电容和数据位电容均由X个独立的单位电容组成，X为自然数，取值由该电容所在位置确定。每个单位电容的电容值为1个单位电容值。例如，设图5中的单位电容值为100fF，桥接电容由一个独立的单位电容构成，电容值为100fF，处于最高位的数据位(BIT(12)，128)的电容值为12800fF，由128个相同的单位电容并联组成。
本发明的所有电容(包括桥接电容和数据位电容)皆由一个或多个独立的、相同的单位电容组成，解决了现有技术的缺陷，保证了一致性，提高了精度。
为方便叙述，未加特殊说明时，本发明中后续内容均以12位ADC为例，图1所示经典电容分布阵列如图3所示。
由图1和图3可知，若BIT(1)为最低有效位，BIT(12)为最高有效位，则BIT(N)位的电容个数为2N-1个，低N位的电容阵列的等效电容(1+20+21+···+2N-1)等于第N+1位的权重电容(2N个)。
若分段电容采用4+8位的形式实现，其经典电容重分布阵列如图4所示。
由图4可知，低4位电容阵列由1+20+21+22+23＝16个单位电容并联而成，低4位等效电容同桥接电容C串联后等效电容为(16*16/15)/(16+16/15)＝1。
由上可知，图4中分段式电容阵列，低4位电容阵列经桥接电容后，其整体等效电容大小等于第5位权重电容大小，其值均为1，该情况同图3一致。
由图3和图4的原理图可知，其低N位电容阵列中，均包含1个接固定GND电平的单位电容，该电容在整个完整转换周期内，始终未进行任何电平切换。同时BIT(1)～BIT(N)的并联等效电容与BIT(N+1)位权重电容比值均为(2N-1)/2N。
综上所述：为保证电容阵列的转换的高线性度要求，需满足BIT(1)～BIT(N)的并联等效电容与BIT(N+1)位权重电容比值为(2N-1)/2N即可。
针对4+8位分段式电容重分布阵列，本发明中分段式电容重分布阵列归一化桥接电容设计方案如图5所示。
由图5可知，低4位电容阵列的并联等效电容为15个，同桥联电容串联后等效电容为(15*1)/(15+1)＝15/16，该等效电容同BIT(5)的权重电容比值为15/16＝(24-1)/24。
综上可知，图5所示电容阵列单元，所有BIT(1)～BIT(N)的并联等效电容与BIT(N+1)位权重电容比值均满足(2N-1)/2N条件要求。
由此可得出如下结论：
图5所示4+8位电容重分布阵列归一化桥接电容设计方案，大量减少了单位电容的使用个数，同时保证阵列中所有电容均为单位电容，满足转换的高线性度要求。
仿真验证
根据理论计算公式，针对N为SAR型ADC而言，若SNR值已知，则该ADC的有效精度＝(SNR-1.76)/6.02。
为验证本发明中归一化电容阵列性能，将图4和图5所示的电容重分布结构分别替换同一SAR型12位ADC电路的内部DAC内核后，分别仿真ADC的整体SNR性能，并将仿真结果进行对比。
将图4中所有单位电容均采用12μm*12μm的单位电容进行替换，同时桥接电容C设计为12μm*12.8μm的非单位电容。在5V电源、25℃条件下，仿真ADC的整体性能，其SNR仿真结果为：74.7dB(仿真结果I)
将图4中所有单位电容均采用12μm*12μm的单位电容进行替换，同时桥接电容C设计为12μm*12μm的单位电容。在5V电源、25℃条件下，仿真ADC的整体性能，其SNR仿真结果为：72.1dB(仿真结果II)
将图5中所有单位电容均采用12μm*12μm的单位电容进行替换，同时桥接电容C设计为12μm*12μm的单位电容。在5V电源、25℃条件下，仿真ADC的整体性能，其SNR仿真结果为：74.7dB(仿真结果II)
对比仿真结果I和仿真结果II，可知，若桥接电容大小出现偏移，将会直接降低SNR值，即转换精度明显下降。
对比仿真结果I和仿真结果III，可知，图4和图5所示电容重分布结构的SNR值几乎相等，且均具有12位以上有效转换线性精度，满足应用要求。
结论
本发明中部分内容以低位分段为4位为例，此时桥接电容个数为1个，同时可延伸至低位包含N位的情况，若第N+1位电容个数为1时，则桥接电容个数均为1。此时低N位等效电容为2N-1个，同桥接电容1串联后，等效电容为((2N-1)*1)/((2N-1)+1)＝(2N-1)/2N，因此该等效电容同第N+1位电容比值仍为(2N-1)/2N，满足转换的高线性度要求。
综上所述：本发明中的电容重分布阵列归一化桥接电容设计方案将电容阵列中的桥接电容完全由单位电容替换，保证整个电容阵列均为单位电容，从而最大限度保障工艺生产后，成品电路中的电容阵列匹配性，最大限度保障DA内核的转换的高线性度要求。

Claims (1)

1.SAR型ADC电容重分布阵列归一化桥接电容电路，包括桥接电容和由数据位电容构成的低N位电容阵列、高M位电容阵列，所有数据位电容的电容值均为单位电容值的整数倍，其倍数与其数据位权重值相对应，其特征在于，所述低N位电容阵列仅由N个低位电容构成，每个低位电容对应一个数据位；所述桥接电容的电容值为1个单位电容值；桥接电容和数据位电容均由X个独立的单位电容组成，X为自然数，取值由该电容所在位置确定，每个单位电容的电容值为1个单位电容值。
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