CN109361391B - 一种用于提升温度计编码数模转换器线性度的校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于提升温度计编码模数转换器线性度的校正方法，涉及微电子学与固体电子学领域，特别是该领域温度计编码数模转换器中的电容设置方法。本发明对采用单位电容阵列作为SAR ADC的DAC电容阵列，根据其系统偏差，按一定的规则对电容重新排列后作为新的DAC电容阵列。与传统校正方法相比，该方法有利于线性度的进一步提升，而且无明显的附加功耗，占用面积小，转换效率高。
Description
技术领域
本发明涉及微电子学与固体电子学领域，特别是该领域温度计编码数模转换器中的电容设置方法。
背景技术
模数转换器具有许多种架构，逐次逼近架构的模数转换器SAR ADC(SuccessiveApproximation ADC)近年来发展迅猛。Flash ADC是被广泛应用于高速ADC中，但是由于电路功耗成本等因素，无法实现较高精度；与此相比，∑-△结构是典型的高精度ADC结构。这两种结构分别在速度，精度方面占有绝对优势，但其在面积、成本、功耗等方面消耗巨大，无法实现高精度与低成本的兼容。实际上，在许多电子系统的设计中，人们对成本和功耗的需求超过了对精度和速度的要求，这就需要中等速度、中等精度、低功耗、低成本的ADC来保证。而SAR ADC的分辨率一般为6位到14位，具有尺寸小、功耗低、转换效率高的特点，因此在信息传输通信，医疗机械等领域中被广泛采用。
传统电荷比例型SAR ADC的DAC所使用的电容阵列通常为二进制加权电容阵列。这种电容选择方法的缺点在于其误差较大，并且电容失配问题较为严重。以SAR ADC的差分非线性误差(DNL)为例，倘若使用二进制加权电容阵列，假定每个电容实际值的分布符合正态分布，均值为理论值，最小电容值为C，其失配误差(电容值方差)为σu，那么根据概率统计的原理，对于电容阵列中最大的电容，其电容值为2N-1C，则其失配误差(电容值方差为2Nσu)，其DNL约为
而倘若我们使用单位(unary)电容，每个电容大小相等，均为C，误差为σu，整个SAR ADC的失配误差为σu。由此可见，使用单位(unary)电容，能够大大缩小电容阵列的失配误差。因此本发明，我们采用单位(unary)电容阵列作为SAR ADC的DAC。
文献[H.Fan,H.Heidari,F.Maloberti et al.(2017,May).High resolution andlinearity enhanced SAR ADC for wearable sensing systems[C].In Circuits andSystems(ISCAS),2017 IEEE International Symposium 2017,1-4]校正方法中SFDR、SNDR均为较高水平，但是仍有较大的提升空间，线性度也需要进一步提升。
发明内容
本发明针对现有技术中功耗大、电容版图设计复杂、体积大、转换效率低、线性度低的缺陷，设计出一种用于提升温度计编码模数转换器线性度的校正方法。
该发明技术方案为一种用于提升温度计编码模数转换器线性度的校正方法，该方法包括：
步骤1：采用单位电容阵列作为SAR ADC的DAC电容阵列，在正电容阵列和负电容阵列处各设置n个电容，将正电容阵列与负电容阵列相对的单位电容分为一组构成一个互补电容对，并称为一个元素，从而得到n个元素；
步骤2：将n个元素按大小进行排序，从小到大依次编号为1、2、3、4......n－1、n；
步骤3：运用Matlab软件对n个排序后的元素进行系统偏差Oi的蒙特卡洛仿真计算，将得到的n个元素所分别对应的平均系统偏差作为n个元素的系统偏差，并进行记录；
步骤4：于n个系统偏差Oi中寻找最大偏移量并记作OM，所对应元素序号记作m；于n个系统偏差Oi中寻找出大于(OM/2)且最接近(OM/2)的Oi值并记作Ot，所对应元素序号记作t；
步骤5：对元素再次进行排序，使得所排列元素的积分非线性(INL)误差始终在区间[－Ot，+Ot]内：t，1，n/2，n，2，n－1，3，n－2，……n－t，t+1，n－(t－1)，t－1，n－(t－2)，t－2，……，n/2－2，(n－(n/2－2))，n/2－1，n/2+1；
步骤6：按步骤5中元素顺序进行INL计算，得到INL仿真曲线图以及INL均值曲线图；
步骤7：测量INL均值曲线图中INL曲线中心与横坐标轴的偏差Ox；
步骤:8：于n个Oi中寻找大小最近接的Oi与Ox抵消，使得INL均值曲线中心与横坐标轴偏差最小，将该系统偏差Oi记作Oa，将所对应元素序号记作a；
步骤9：针对步骤5中元素排序进行修改得到最终的元素排序：t，1，n/2，n，2，a，n－1，3，n－2，4，n－3……n－t，t+1，n－(t－1)，t－1，n－(t－2)，t－2……a－2，n－(a－2)，a－1，n－a，a+1，n－(a+1)……n/2－2，(n－(n/2－2))，n/2－1，n/2+1，(n－(a－1))；
步骤10：将步骤9中元素排序作为最终的SAR ADC的DAC电容阵列。
进一步的，所述步骤3中设置元素失配误差为0.001，蒙特卡洛仿真次数为10000次，采用Matlab软件对n个排序后的元素进行系统偏差Oi计算，得到n个元素所对应的平均系统偏差。
进一步的，所述步骤6中设置元素失配误差为0.001，蒙特卡洛仿真次数为1001次，按步骤5中元素顺序进行INL计算，得到INL仿真曲线图以及INL均值曲线图。
本发明提出了一种用于提升温度计编码模数转换器线性度的校正方法。其特点在于：对采用单位电容阵列作为SAR ADC的DAC电容阵列，根据其系统偏差，按一定的规则对电容重新排列后作为新的DAC电容阵列。与传统的校正方法相比，本发明提出的校正方法有利于线性度的进一步提升，而且无明显的附加功耗，占用面积小，转换效率高。
附图说明
图1为两步完成电容比较的示意图。其中(a)将Cu1置位，上极板接Vcm；(b)将Cu1重置，Cu2置位，并将上极板浮空。
图2为32个有序元素系统误差仿真曲线图；
图3为32个有序元素系统误差值记录图；
图4为传统校正方法示意图；
图5为传统校正方法INL仿真曲线图；
图6为传统校正方法INL均值曲线图；
图7为本发明提出校正方法INL仿真曲线图；
图8为本发明提出校正方法INL均值曲线图。
具体实施方式
本发明提出一种用于提升温度计编码模数转换器线性度的校正方法。此处以32个单位电容组成的电容阵列为例进行该校正方法的详述。
采用单位电容作为SAR ADC的DAC电容阵列，在正电容阵列和负电容阵列处各设置32个电容，将正电容阵列与负电容阵列相对的单位电容分为一组构成一个互补电容对，并称为一个元素，从而得到32个元素；首先对32个元素按大小进行排序，通过图1所示步骤可以完成元素与元素之间的比较，将排序后的元素从小到大编号为：1，2，3，……，32；之后运用Matlab软件对32个排序后的元素进行系统偏差Oi仿真：设置元素失配误差为0.001，蒙特卡洛仿真次数为10000次，得到32个元素所对应的平均Oi并进行记录，如图2、图3所示；根据仿真结果，寻找Oi最大值OM＝2.1×10-3，并将其对应元素序号记作m(m＝32)；寻找略大于(OM/2)的Oi值Ot＝1.1×10-3，并将其对应元素序号记作t(t＝28)；对32个元素按以下方式进行重排，使得排列元素INL始终在区间[－Ot，+Ot]内(如图4所示)：28→1→16→32→2→31→3→30→4→29→5→27→6→26→7→25→8→24→9→23→10→22→11→21→12→20→13→19→14→18→15→17。
运用Matlab软件对上述排序方式进行INL仿真，其中设置元素失配误差为0.001，蒙特卡洛仿真次数为1001次，得到INL仿真曲线图以及INL均值曲线图如图5与图6所示，可以看出，INL均值曲线图与横坐标轴的偏离值为+0.25(Ox＝0.25)。接下来我们在图3所示的32个系统偏差中寻找与－Ox最为接近的一个，容易发现，编号为13的元素所对应的Oi值与－Ox最为接近，所以我们记Oa＝－0.27，a＝13。
为弥补该偏差，我们对32个元素按以下方式进行重排：28→1→16→32→2→13→31→3→30→4→29→5→27→6→26→7→25→8→24→9→23→10→22→11→21→12→20→19→14→18→15→17→20。
运用Matlab软件对上述排序方式进行INL仿真，其中设置元素失配误差为0.001，蒙特卡洛仿真次数为1001次，得到INL仿真曲线图以及INL均值曲线图如图7与图8所示。
对两次排序方式INL仿真曲线图(图5，图7)进行比较，我们可以发现，校正之后的INL仿真曲线范围从[－4,6]缩小到了[－4,4]，实现了线性度的提升。
Claims (3)
1.一种用于提升温度计编码模数转换器线性度的校正方法，该方法包括：
步骤1：采用单位电容阵列作为SAR ADC的DAC电容阵列，在正电容阵列和负电容阵列处各设置n个电容，将正电容阵列与负电容阵列相对的单位电容分为一组构成一个互补电容对，并称为一个元素，从而得到n个元素；
步骤2：将n个元素按大小进行排序，从小到大依次编号为1、2、3、4......n－1、n；
步骤3：运用Matlab软件对n个排序后的元素进行系统偏差Oi的蒙特卡洛仿真计算，将得到的n个元素所分别对应的平均系统偏差作为n个元素的系统偏差，并进行记录；
步骤4：于n个系统偏差Oi中寻找最大偏移量并记作OM，所对应元素序号记作m；于n个系统偏差Oi中寻找出大于(OM/2)且最接近(OM/2)的Oi值并记作Ot，所对应元素序号记作t；
步骤5：对元素再次进行排序，使得所排列元素的积分非线性(INL)误差始终在区间[－Ot，+Ot]内：t，1，n/2，n，2，n－1，3，n－2，……n－t，t+1，n－(t－1)，t－1，n－(t－2)，t－2，……，n/2－2，(n－(n/2－2))，n/2－1，n/2+1；
步骤6：按步骤5中元素顺序进行INL计算，得到INL仿真曲线图以及INL均值曲线图；
步骤7：测量INL均值曲线图中INL曲线中心与横坐标轴的偏差Ox；
步骤8：于n个Oi中寻找大小与－Ox最为接近的最近接的Oi与Ox抵消，使得INL均值曲线中心与横坐标轴偏差最小，将该系统偏差Oi记作Oa，将所对应元素序号记作a；
步骤9：针对步骤5中元素排序进行修改得到最终的元素排序：t，1，n/2，n，2，a，n－1，3，n－2，4，n－3……n－t，t+1，n－(t－1)，t－1，n－(t－2)，t－2……a－2，n－(a－2)，a－1，n－a，a+1，n－(a+1)……n/2－2，(n－(n/2－2))，n/2－1，n/2+1，(n－(a－1))；
步骤10：将步骤9中元素排序作为最终的SAR ADC的DAC电容阵列。
2.如权利要求1所述的一种用于提升温度计编码模数转换器线性度的校正方法，其特征在于所述步骤3中设置元素失配误差为0.001，蒙特卡洛仿真次数为10000次，采用Matlab软件对n个排序后的元素进行系统偏差Oi计算，得到n个元素所对应的平均系统偏差。
3.如权利要求1所述的一种用于提升温度计编码模数转换器线性度的校正方法，其特征在于所述步骤6中设置元素失配误差为0.001，蒙特卡洛仿真次数为1001次，按步骤5中元素顺序进行INL计算，得到INL仿真曲线图以及INL均值曲线图。
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