CN110138386A - 一种比较器失调漂移后台校正电路和方法 - Google Patents

Abstract

一种比较器失调漂移后台校正电路和方法。校正开关电路和模拟信号输入端口的Vin+和Vin‑端子相连；放大器电路的输入端和共模电压输入端Vcm相连，输出和动态比较器电路的输入相连；动态比较器电路的正负输入端与复位开关相连，动态比较器电路的输出与输出端口的Vout+和Vout‑端子相连并作为校正控制逻辑电路的输入；所述校正控制逻辑电路的一路输出作为双向计数器电路的输入，另一路输出和其他比较器的控制信号端口相连；双向计数器电路的输出和数模转换电路的输入相连，数模转换电路的输出和失调校正电压输入电路相连并输出失调校正电压到预放大器电路对失调电压进行校正。

Description

一种比较器失调漂移后台校正电路和方法

技术领域

本发明涉及模拟电路和数字校正电路相结合的混合信号集成电路设计领域，尤其是涉及补偿由温度和电源引起的一种比较器失调漂移后台校正电路和方法。

背景技术

比较器是模拟集成电路中的一个常见模块，被广泛应用于模数转换器(ADC)中，比较器的性能很大程度上影响着系统的性能，决定着ADC的速度、精度和功耗等指标，具有非常重要的作用。比较器的性能受到其失调电压的严重制约，特别是随着CMOS工艺特征尺寸的逐步减小，由于阈值电压、特征尺寸、面积以及寄生电容的因素失配引起的失调逐渐增大。为了实现高速的模数转换，越来越多的ADC采用多比较器架构，需要很好地抑制比较器之间的失调电压以确保ADC转换的精度，因此比较器的失调电压越来越重要。

比较器失调主要由输入对管的阈值电压和尺寸不匹配等因素造成，虽然可通过增大输入管的尺寸减小，但大的尺寸势必带来大的功耗。设计人员通常更喜欢较小的器件尺寸，以实现低功耗和回馈噪声。小尺寸器件会导致较大的比较器失调，因此通常采用校正技术，来生成合适的校正电压补偿器件之间的失调。

比较器失调校正技术又可进一步分为前台校正(foreground calibration)和后台校正(background calibration)技术两大类，(1)前台失调校正技术仅在电路开始工作时或在空闲时间被激活，因此它对系统的整体运行产生的影响很小。由于失调电压会随着温度和电源电压的变化而产生漂移，而前台校正技术无法实时跟踪和处理此类失调漂移带来的误差。(2)后台失调校正技术在比较器正常工作过程中进行校正，因此它可以处理由于温度和电源电压等环境变化而产生的失调电压漂移。它通常需要额外的校准阶段或周期来重新校准漂移，以及模拟输入信号的切换，从而影响电路工作的线性度和比较器的正常工作次序。此外，目前的解决方案需要复杂的模拟电路和数字控制逻辑，不但影响比较器的工作速度，而且占用较多的芯片面积和功耗，限制了比较器的性能。

自动归零校正技术是一种比较典型的后台失调校正技术，它利用反馈网络消除比较器的输入失调电压，反馈网络和额外的归零处理使其不适合高速的应用场合。此外，此类方法会大大增加了模拟电路设计的复杂度，使芯片面积增加，静态功耗上升。

众所周知，集成电路中差分对管的失调电压会随着温度和电源电压的变化而产生漂移，从而恶化前台校正的结果。经过理论分析、模拟仿真和实际电路测试，我们发现这种由温度和电源电压变化而引起的失调漂移呈现一定的线性特征，可以用线性内插的方式对失调漂移进行校正，从而无需传统的后台校正电路，具有校正电路简单、对比较器正常工作无干扰、精度高等优点。

目前针对比较器失调电压校准电路及方法的类似研究和专利如下：

中国专利CN 105049043B公开一种带有失调校正功能的高速比较器，在发明中校正模块以注入电流的方式消除高速比较器的失调电压。校正完成后，高速比较器进入正常工作模式，该发明所采用的校正技术属于前台校正方式。

中国专利CN103036538B公开一种校准比较器失调电压的电路及其方法，通过衬底电压调整比较器的正、反相输入端的MOS管来校准比较器失调电压。利用选择模块检测比较器输出，并输出选择信号，经过N个校准时钟周期逐次逼近，完成快速校准过程。能够对较大范围的失调电压进行高精度的校准。该发明所采用的校正技术属于前台校正方式。

中国专利CN 109120268A公开一种动态比较器失调电压校准方法，逐次逼近模数转换器的数模转换器的量化过程包括校准模式和正常工作模式，校准模式时利用逐次逼近模数转换器对0量化得到失调码字，正常工作模式时根据失调码字控制校准电容阵列中电容的切换，得到消除了比较器失调电压的输出量化码字。

综上所述，近年出现了很多比较器失调校正方法，但主要都集中在校正比较器失调误差的前台校正技术，这些发明均未涉及校正由于温度和电源所引起的失调电压漂移的解决方法。

发明内容

针对上述比较器失调电压随温度和电源变化引起失调电压漂移，影响比较器失调前台数字校正的效果，导致比较器性能下降的问题，以及现有消除比较器失调漂移的后台数字校正技术存在的不足，本发明的目的在于提供不需要额外自动调零电路或者额外校正周期，逻辑简单，易于实现，可以获得工作在宽温度和电源电压区间高精度比较器的一种比较器失调漂移后台校正电路和方法。

所述比较器失调漂移后台校正电路设有模拟信号输入端口、校正开关电路、预放大器电路、复位开关、动态比较器电路、校正控制逻辑电路、双向计数器电路、数模转换电路、失调校正电压输入电路和输出端口；所述校正开关电路和模拟信号输入端口的Vin+和Vin-端子相连，模拟信号输入端口与预放大器电路相连并作为预放大器电路的输入；所述预放大器电路的输入端和共模电压输入端Vcm相连，预放大器电路的输出和动态比较器电路的输入相连，所述动态比较器电路的正负输入端与复位开关相连，用于动态比较器输入复位，动态比较器电路的输出与输出端口的Vout+和Vout-端子相连并作为校正控制逻辑电路的输入，所述校正控制逻辑电路的一路输出作为双向计数器电路的输入，校正控制逻辑电路的另一路输出和其他比较器11～1N的控制信号端口相连；校正控制逻辑电路的输出时钟信号作为双向计数器电路和数模转换电路的工作时钟，双向计数器电路的输出和数模转换电路的输入相连并将计数值转换成相应的模拟电压，数模转换电路的输出和失调校正电压输入电路相连并输出失调校正电压到预放大器电路对失调电压进行校正，其中N为工作比较器的数量。

所述校正控制逻辑电路设有第一次校正值寄存器、两次校正差值寄存器、失调电压漂移值寄存器、漂移校正触发电路、线性内插电路和漂移校正值寄存器；第一次校正值寄存器和双向计数器输出相连，存放该比较器第一次前台校正的双向计数器值；两次校正差值寄存器和双向计数器输出相连，存放该比较器第一次前台校正和第二次前台校正的双向计数器差值；所述两次校正差值寄存器还和工作比较器11～1N的线性内插电路相连，用于生成相应的漂移校正值；失调电压漂移值寄存器和双向计数器输出相连，存放参考比较器的检测温度和电源所引起失调电压漂移的双向计数器差值；漂移校正触发电路和工作比较器11～1N的线性内插电路相连，用于触发工作比较器11～1N的线性内插电路，根据各自所在工作比较器的漂移特性曲线生成相应的漂移校正值；工作比较器11～1N的线性内插电路和漂移校正值寄存器相连，将生成的漂移校正值存放在漂移校正值寄存器；漂移校正值寄存器和模数转换电路相连，用于输出校正电压到预放大电路的失调校正电压输入端口的Cal+/Cal-端子。

所述比较器失调漂移后台校正方法的具体步骤如下：

1)所有比较器上电重启，进入初始状态；

2)所有比较器开始第一次前台失调电压校正，校正其制造过程引入的失调电压，并将其校正值存放在第一次校正值寄存器中；

3)根据实际应用场景，加载失调漂移校正触发值，用于触发失调漂移校正；

4)选择任意一个比较器来跟踪失调漂移，并将失调漂移值和失调漂移校正触发值比较，若失调漂移值等于失调漂移校正触发值，则触发失调漂移校正；

5)所有比较器进行第二次前台校正，并获得两次校正差值，存储在两次校正差值寄存器中；

6)在所有比较器中，选择两次校正差值最大的比较器作为参考比较器，来跟踪失调漂移并触发其他工作比较器的后台校正；

7)参考比较器工作在跟踪模式，实时检测失调漂移；

8)工作比较器执行正常的比较器功能；

9)参考比较器检测失调漂移是否超过一个校正步长，则触发失调漂移逻辑电路并发送失调漂移控制信号给其他所有的工作比较器；

10)工作比较器接收到参考比较器的漂移触发控制信号，开始执行失调漂移校正操作；

11)工作比较器的校正控制逻辑电路通过线性内插电路计算漂移校正值，并存放在漂移校正值寄存器中；

12)执行后台校正失调漂移，在此期间工作比较器依然可以执行比较功能，漂移校正值寄存器中的值通过数模转换电路转换成失调漂移校正电压，输出到比较器的预放大电路的失调校正电压输入端口的Cal+/Cal-端子用于校正比较器失调漂移；

13)等待此次后台失调漂移校正完成信号；

14)等待工作比较器的失调漂移校正完成信号，若接收到工作比较器的失调漂移校正完成信号，则参考比较器恢复跟踪模式，开始新一轮的实时失调漂移检测；否则参考比较器继续等待该完成信号。

与现有技术相比，本发明的突出技术效果在于：

(1)具有校正电路设计简单的优点。采用两次前台校正获得每个比较器的失调漂移线性曲线。因为采用前台校正，所以其校正电路的设计简单，校正精度高。

(2)实现了一种利用参考比较器跟踪失调漂移，并通过线性内插方式计算失调漂移后台校正值，从而补偿由温度或者电源引起的失调漂移，在校正电路失调漂移的同时，又不影响比较器的正常工作。

(3)克服了前台校正无法补偿温度和电源引起的比较器失调漂移的缺点，又解决了后台校正电路需要额外的校准阶段或周期来重新校准漂移，以及模拟输入信号的切换，从而影响电路工作的线性度和比较器的正常工作次序。

附图说明

图1为本发明所述比较器失调漂移后台校正电路的框图。

图2为本发明所述比较器失调漂移后台校正方法的实现流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。

参见图1，所述比较器失调漂移后台校正电路实施例设有模拟信号输入端口0、校正开关电路1、预放大器电路2、复位开关3、动态比较器电路4、校正控制逻辑电路5、双向计数器电路6、数模转换电路7、失调校正电压输入电路8和输出端口9；所述校正开关电路1和模拟信号输入端口0的Vin+和Vin-端子相连，模拟信号输入端口0与预放大器电路2相连并作为预放大器电路2的输入；所述预放大器电路2的输入端和共模电压输入端Vcm相连，预放大器电路2的输出和动态比较器电路4的输入相连，所述动态比较器电路4的正负输入端与复位开关3相连，用于动态比较器4输入复位，动态比较器电路4的输出与输出端口9的Vout+和Vout-端子相连并作为校正控制逻辑电路5的输入，所述校正控制逻辑电路5的一路输出作为双向计数器电路6的输入，校正控制逻辑电路5的另一路输出和其他比较器11～1N的控制信号端口相连；校正控制逻辑电路5的输出时钟信号作为双向计数器电路6和数模转换电路7的工作时钟，双向计数器电路6的输出和数模转换电路7的输入相连并将计数值转换成相应的模拟电压，数模转换电路7的输出和失调校正电压输入电路8相连并输出失调校正电压到预放大器电路2对失调电压进行校正，其中N为工作比较器的数量。

所述校正控制逻辑电路5设有第一次校正值寄存器51、两次校正差值寄存器52、失调电压漂移值寄存器53、漂移校正触发电路54、线性内插电路55和漂移校正值寄存器56；第一次校正值寄存器51和双向计数器6输出相连，存放该比较器第一次前台校正的双向计数器值；两次校正差值寄存器52和双向计数器6输出相连，存放该比较器第一次前台校正和第二次前台校正的双向计数器差值；所述两次校正差值寄存器52还和工作比较器11～1N的线性内插电路55相连，用于生成相应的漂移校正值；失调电压漂移值寄存器53和双向计数器6输出相连，存放参考比较器10的检测温度和电源所引起失调电压漂移的双向计数器差值；漂移校正触发电路54和工作比较器11～1N的线性内插电路55相连，用于触发工作比较器11～1N的线性内插电路55，根据各自所在工作比较器的漂移特性曲线生成相应的漂移校正值；工作比较器11～1N的线性内插电路55和漂移校正值寄存器56相连，将生成的漂移校正值存放在漂移校正值寄存器56；漂移校正值寄存器56和模数转换电路7相连，用于输出校正电压到预放大电路2的失调校正电压输入端口8的Cal+/Cal-端子。

本实施例为一种比较器失调漂移后台校正电路和方法。利用比较器失调漂移近似线性的特征，设计了一种后台校正电路和方法。比较器校正电路通过两次前台校正获得每个比较器的失调漂移特征，并选取漂移最大的比较器作为参考比较器，其他比较器作为工作比较器。然后，利用参考比较器跟踪失调漂移，并触发其他工作比较器的后台校正电路。工作比较器通过线性内插方式计算不同漂移对应的失调漂移后台校正值，从而补偿由温度或者电源引起的失调漂移。在后台校正失调漂移的同时，工作比较器的比较电路正常工作、不受影响。

整体技术方案如图1所示，由参考比较器10和多个工作比较器11～1N构成，工作比较器的数量可以任意选择。参考比较器和工作比较器的电路构成一致，只是在运行时工作在不同的工作模式，即分别处于跟踪模式和比较工作模式。

参见图2，所述比较器失调漂移后台校正方法的具体步骤如下：

N1、所有比较器上电重启，进入初始状态；

N2、所有比较器开始第一次前台失调电压校正，校正其制造过程引入的失调电压，并将其校正值存放在第一次校正值寄存器51中；

N3、根据实际应用场景，加载失调漂移校正触发值，用于触发失调漂移校正；

N4、选择任意一个比较器来跟踪失调漂移，并将失调漂移值和失调漂移校正触发值比较，若失调漂移值等于失调漂移校正触发值，则触发失调漂移校正；

N5、所有比较器进行第二次前台校正，并获得两次校正差值，存储在两次校正差值寄存器52中；

N6、在所有比较器中，选择两次校正差值最大的比较器作为参考比较器，来跟踪失调漂移并触发其他工作比较器的后台校正；

N7、参考比较器工作在跟踪模式，实时检测失调漂移；

N8、工作比较器执行正常的比较器功能；

N9、参考比较器检测失调漂移是否超过一个校正步长，则触发失调漂移逻辑电路并发送失调漂移控制信号给其他所有的工作比较器；

N10、工作比较器接收到参考比较器的漂移触发控制信号，开始执行失调漂移校正操作；

N11、工作比较器的校正控制逻辑电路5通过线性内插电路55计算漂移校正值，并存放在漂移校正值寄存器56中；

N12、执行后台校正失调漂移，在此期间工作比较器依然可以执行比较功能，漂移校正值寄存器56中的值通过数模转换电路7转换成失调漂移校正电压，输出到比较器的预放大电路2的失调校正电压输入端口8的Cal+/Cal-端子用于校正比较器失调漂移；

N13、等待此次后台失调漂移校正完成信号；

N14、等待工作比较器的失调漂移校正完成信号，若接收到工作比较器的失调漂移校正完成信号，则参考比较器恢复跟踪模式，开始新一轮的实时失调漂移检测；否则参考比较器继续等待该完成信号。

这种校正电路和方法结合了前台和后台校正的各自优点，即具有校正电路设计简单和后台校正不影响比较器实际工作的优点。在实际工作时，这种校正电路和方法既克服了前台校正无法补偿温度和电源引起的比较器失调漂移的缺点，又解决了后台校正电路需要额外的校准阶段或周期来重新校准漂移，以及模拟输入信号的切换，从而影响电路工作的线性度和比较器的正常工作次序。这个方案解决了目前后台校正方案需要复杂的模拟电路和数字控制逻辑，从而占用较多的芯片面积和功耗、影响比较器工作速度的问题，提高了比较器的性能。

Claims (3)

1.一种比较器失调漂移后台校正电路，其特征在于设有模拟信号输入端口、校正开关电路、预放大器电路、复位开关、动态比较器电路、校正控制逻辑电路、双向计数器电路、数模转换电路、失调校正电压输入电路和输出端口；所述校正开关电路和模拟信号输入端口的Vin+和Vin-端子相连，模拟信号输入端口与预放大器电路相连并作为预放大器电路的输入；所述预放大器电路的输入端和共模电压输入端Vcm相连，预放大器电路的输出和动态比较器电路的输入相连，所述动态比较器电路的正负输入端与复位开关相连，用于动态比较器输入复位，动态比较器电路的输出与输出端口的Vout+和Vout-端子相连并作为校正控制逻辑电路的输入，所述校正控制逻辑电路的一路输出作为双向计数器电路的输入，校正控制逻辑电路的另一路输出和其他比较器11～1N的控制信号端口相连；校正控制逻辑电路的输出时钟信号作为双向计数器电路和数模转换电路的工作时钟，双向计数器电路的输出和数模转换电路的输入相连并将计数值转换成相应的模拟电压，数模转换电路的输出和失调校正电压输入电路相连并输出失调校正电压到预放大器电路对失调电压进行校正，其中N为工作比较器的数量。

2.如权利要求1所述一种比较器失调漂移后台校正电路，其特征在于所述校正控制逻辑电路设有第一次校正值寄存器、两次校正差值寄存器、失调电压漂移值寄存器、漂移校正触发电路、线性内插电路和漂移校正值寄存器；第一次校正值寄存器和双向计数器输出相连，存放该比较器第一次前台校正的双向计数器值；两次校正差值寄存器和双向计数器输出相连，存放该比较器第一次前台校正和第二次前台校正的双向计数器差值；所述两次校正差值寄存器还和工作比较器11～1N的线性内插电路相连，用于生成相应的漂移校正值；失调电压漂移值寄存器和双向计数器输出相连，存放参考比较器的检测温度和电源所引起失调电压漂移的双向计数器差值；漂移校正触发电路和工作比较器11～1N的线性内插电路相连，用于触发工作比较器11～1N的线性内插电路，根据各自所在工作比较器的漂移特性曲线生成相应的漂移校正值；工作比较器11～1N的线性内插电路和漂移校正值寄存器相连，将生成的漂移校正值存放在漂移校正值寄存器；漂移校正值寄存器和模数转换电路相连，用于输出校正电压到预放大电路的失调校正电压输入端口的Cal+/Cal-端子。

3.比较器失调漂移后台校正方法，其特征在于其具体步骤如下：

1)所有比较器上电重启，进入初始状态；

2)所有比较器开始第一次前台失调电压校正，校正其制造过程引入的失调电压，并将其校正值存放在第一次校正值寄存器中；

3)根据实际应用场景，加载失调漂移校正触发值，用于触发失调漂移校正；

4)选择任意一个比较器来跟踪失调漂移，并将失调漂移值和失调漂移校正触发值比较，若失调漂移值等于失调漂移校正触发值，则触发失调漂移校正；

5)所有比较器进行第二次前台校正，并获得两次校正差值，存储在两次校正差值寄存器中；

6)在所有比较器中，选择两次校正差值最大的比较器作为参考比较器，来跟踪失调漂移并触发其他工作比较器的后台校正；

7)参考比较器工作在跟踪模式，实时检测失调漂移；

8)工作比较器执行正常的比较器功能；

9)参考比较器检测失调漂移是否超过一个校正步长，则触发失调漂移逻辑电路并发送失调漂移控制信号给其他所有的工作比较器；

10)工作比较器接收到参考比较器的漂移触发控制信号，开始执行失调漂移校正操作；

11)工作比较器的校正控制逻辑电路通过线性内插电路计算漂移校正值，并存放在漂移校正值寄存器中；

12)执行后台校正失调漂移，工作比较器执行比较功能，漂移校正值寄存器中的值通过数模转换电路转换成失调漂移校正电压，输出到比较器的预放大电路的失调校正电压输入端口的Cal+/Cal-端子用于校正比较器失调漂移；

13)等待此次后台失调漂移校正完成信号；

14)等待工作比较器的失调漂移校正完成信号，若接收到工作比较器的失调漂移校正完成信号，则参考比较器恢复跟踪模式，开始新一轮的实时失调漂移检测；否则参考比较器继续等待该完成信号。