CN110299918A - 分割电容镜像搜索的模数转换器校准方法 - Google Patents

分割电容镜像搜索的模数转换器校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于集成电路数模转换器设计领域，为使搜索次数不随ADC的位数增加而呈现指数增加，加快搜索速度的同时可以保持较高的校准性能，本发明，分割电容镜像搜索的ADC校准方法，步骤如下：进行第n位搜索；按此方法搜索所有需要搜索的点，并建立Ws与原电容位置i的索引Ic；在Ws<0的半侧选取Win，并通过在2n‑1点镜像对称的方式在Ws>0侧选取Wip，通过上面步骤建立的索引Ic将两个Wi索引至原始的2个电容组合；通过误差检测方法检测新的电容组合误差，取与0点最近的两点作为为新的误差值Ws；直至所有位搜索完成。本发明主要应用于数模转换器设计制造场合。

Description

分割电容镜像搜索的模数转换器校准方法
技术领域
本发明属于集成电路数模转换器设计领域，具体涉及一种逐次逼近型数模转换器的电容阵列校准方法。
背景技术
随着数字集成电路与数字信号处理技术的快速发展，相对于模拟电路而言数字电路对信号的处理速度、存储方式、传输方式、抗干扰能力等方面都具有相当大的优势，然而在自然界中所有的信号都为模拟量，为了利用数字电路与数字信号处理电路的优势，就需要模数转换器将模拟信号转换为数字信号，作为模拟与数字的桥梁，其转换速度、转换精度将直接影响整个系统的性能。
在摩尔定律的指引下，集成电路的集成度每18个月翻一番，随着工艺尺寸的降低，证明逐次逼近型可以充分发挥工艺特征尺寸减小所带来的优势，目前国内外针对逐次逼近型数模转换器的研究主要集中在高速、高精度与低功耗三个方面，为了取得这三个方面的良好折中，降低单位电容大小是一种可行的方案。然而随着集成电路工艺尺寸与单位电容尺寸选取的降低，电容失配所带来的问题将会大大影响SAR ADC(逐次逼近型模数转换器)的动态与静态性能。
在此背景下本发明提出一种分割电容镜像搜索的ADC(模数转换器)校准算法，对SAR ADC中的关键模块，即电容阵列数模转换器进行校准，使SAR ADC在10％电容随机失配的情况下获得更好的静态与动态性能。
参考文献
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发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种分割电容镜像搜索的模数转换器校准算法，可以使搜索次数不随ADC的位数增加而呈现指数增加。极大地加快搜索速度的同时可以保持较高的校准性能。为此，本发明采取的技术方案是，分割电容镜像搜索的ADC校准方法，步骤如下：
(1)进行第n位搜索，n取值从ADC MSB到LSB,其中MSB为ADC最高位；LSB为ADC最低位，因为第n位不存在Wi，Wi为第i位误差，i为单位电容的位置，所以对第n位进行遍历搜索通过误差检测方法获得第n位每个单位电容的Wi，然后对Wi进行排序得到Ws，Ws由Wi进行排列组成；
(2)按此方法搜索所有需要搜索的点，并建立Ws与原电容位置i的索引Ic，以便于通过排序后的误差值直接索引至原电容组合；
(3)在Ws<0的半侧选取Win，并通过在2n-1点镜像对称的方式在Ws>0侧选取Wip，通过这种镜像选择的方式对电容进行搜索可以保证两个电容的和达到一个较为精确的值；
(4)此时已经选取好了两个Wi，通过上面步骤建立的索引Ic将两个Wi索引至原始的2个电容组合，并将这2个电容组合相加得到一个新的电容组合；
(5)通过误差检测方法检测新的电容组合误差，将这些所有的误差以数组形式存储；
(6)待所有Ws>0侧范围的Wi选定完成时，将第5步存储的误差进行排序，选取与0点最近的两点作为为新的误差值Ws；
(7)此时Ws的数量相对于第n位搜索时Ws的数量没有改变，然后再返回第(1)步进行下一位n-1位的搜索，直至所有位搜索完成。
将步骤(1)-(7)逐次逼近转换过程应用于SAR ADC，则该SAR ADC的工作过程如下：
a)按照本发明提出的分割电容镜像搜索算法搜索最优的电容匹配并得到他们的地址存在寄存器之中；
b)进行逐次逼近转换过程；
c)对输入电压Vin进行采样，使电容阵列公共端电压为Vin；
d)读取寄存器第N位的电容开关地址，并通过此地址控制相应的电容接GND或Vref。
e)在电容阵列公共端产生精确的电压变化，并通过比较器与Vref进行比较；
f)输出第N位的数字码；
g)重复b)-g)的过程进行第N-1位的转换，直至转换结束进行下一个电压的采样。
本发明的特点及有益效果是：
(1)本发明采用了一种完全分割的电容阵列数模转换器模块，将其应用到SAR ADC之中，实现了全数字化前台校准，在ADC的实际工作过程中处寄存器以外不产生额外的功耗开销，不占用芯片面积，不影响转换速度，同时通过镜像搜索算法可以应用于高精度SARADC之中。
(2)本发明所提出的算法逻辑简单，易于实现，并且在很大地提升校准速度的同时又保证有很好的校准效果，通过仿真可知此算法可以在10％电容随机失配的情况下将ADC的无杂散动态范围提升20dBc，有效位数提升1位。仿真结果如图5所示，左边为未校准的SARADC转换结果频谱图，右边为校准后的SAR ADC的转换结果频谱图。
附图说明：
图1传统10位电容数模转换器结构。
图2拆分10位电容数模转换器结构。
图3搜索次数对比。
图4本发明流程图。
图5 10位SAR ADC校准结果对比。
具体实施方式
本发明提出一种分割电容镜像搜索的ADC校准算法，在集成电路工艺特征尺寸降低的过程中，电路中电容的失配率随之提高。本发明针对此问题提出通过将比特电容分割再组合可以有效地降低电容失配，进而使ADC获得更好的静态与动态性能。但是在比特电容的组合过程中，随着ADC的位数增加，搜索次数将呈现指数增加，对于一个高精度ADC而言，搜索所有的电容组合所带来的时间成本是不可接受的。使用本发明所提出的分割电容镜像搜索算法可以使搜索次数不随ADC的位数增加而呈现指数增加。极大地加快了搜索速度的同时可以保持较高的校准性能。
本发明的完整技术方案如下：
一个典型的单通道10位逐次逼近型模数转换的架构包括电容阵列数模转换器、比较器和逐次逼近控制电路。其中电容阵列数模转换器是SAR ADC中的一个重要模块，其兼有采样保持与数字模拟转换的功能，且其性能直接影响了ADC的转换精度与性能。
传统的10位电容阵列数模转换器如图1所示，其中第N比特电容开关切换会在输出电压Vout产生ΔVout的电压变化，ΔVout可由下式表示。
在整体SAR ADC的转换过程中，首先电容阵列公共端先接输入电压Vin对Vin进行采样。当开关使电容接地(GND)时，电容公共端电压变化为-ΔVout；当开关使电容接Vref(参考电压)时，电容公共端电压为+ΔVout。所以在每一位逼近过程中，电容公共端电压为Vin±ΔVout，通过比较器比较Vref与Vin±ΔVout的大小来决定第N位的输出数字码为0或为1。
但是由于电容失配的影响，电容之间的大小一般并不严格符合二进制2倍的关系，故在存在电容失配情况下的电容公共端输出电压变化量Vin±ΔVout′将与理想Vin±ΔVout产生偏差，进而产生错误的输出数字码。
为了在数字域对电容失配进行校准，将CSUM＝210C全部拆分成210单位电容C，分别使用独立的开关进行控制，其结构如图2所示。从图中可知拆分过后的电容阵列数模转换器用1024个独立开关独立控制各个电容接VREF或接GND，通过这样将电容阵列进行拆分可以在各个电容产生失配的情况下，通过不同的单位电容组合方式抵消电容的失配，且电容失配的均值约为1，换言之电容正误差失配的数量约等于电容负误差的失配数量。
基于这个统计规律本发明在使用拆分电容阵列数模转换器的同时提出了一种镜像电容搜索算法，此算法与原始完全遍历的方法搜索数量对比如图3所示。从图中可以看出本发明提出的搜索算法搜索次数并不随着比特数的提升呈现数量级增加，使在前台校准的过程中电容搜索次数大大减少，虽然小幅降低了组合后电容阵列Vout的电压精度，但是极大地提高了校准速度，使拆分电容阵列数模转换器可以应用在高精度SAR ADC中。
在10位SAR ADC中的第10位搜索中具体阐述此算法的工作流程如下：
(1)进行第10位搜索，因为第10位并没有误差数据Wi，其中i为单位电容的位置，所以对第10位进行遍历搜索通过误差检测方法获得第10位每个单位电容的误差Wi。然后对Wi进行排序得到Wi由小到大的排列Ws，由于电容失配分布的随机性，Ws排序结果近似一个过(512,0)点的线性直线。
(2)按此方法搜索所有需要搜索的点。建立Ws与原电容位置i的索引Ic，以便于通过排序后的误差值直接索引至原电容组合。
(3)在Ws<0的半侧依次选取Win，并通过在512点镜像的方式选定Ws>0侧的Wip。
(4)此时已经选取好了两个Wi，通过上面步骤建立的索引Ic将两个Wi索引至原始的2个电容组合，并将这2个电容组合相加得到一个新的电容组合。
(5)通过误差检测方法检测新的电容组合误差，将这些误差存储。
(6)待所有Ws>0侧的Wi选定完成时，将第5步存储的误差进行排序，选取与0点最近的；两点误差值作为新的Ws，并且此时可以通过Ic直接索引至原电容位置。
(7)在选取512次Ws<0半侧之后就会使Ws的数量增至1024个，此时Ws的数量相对于第10位搜索时Ws的数量没有改变，然后再返回第(1)步进行下一位的搜索，直至所有位搜索完成。
(8)当所有位搜索完成时，就可以得到每一位应导通的开关地址，其中对于第N位而言应该包含2N-1个电容地址，但是由于SAR ADC的特点，每一次只转换一位，所以由电容分割所带来的大量开关控制电路的硬件开销并不是很大，只需一个1024bit深度为10的寄存器即可满足要求。
所以控制本发明提出的这种新型的SAR ADC的工作过程如下：
(1)按照本发明提出的分割电容镜像搜索算法搜索最优的电容匹配并得到他们的地址存在寄存器之中。
(2)进行逐次逼近转换过程。
(3)对输入电压Vin进行采样，使电容阵列公共端电压为Vin。
(4)读取寄存器第N位的电容开关地址，并通过此地址控制相应的电容接GND或Vref。
(5)在电容阵列公共端产生精确的电压变化，并通过比较器与Vref进行比较。
(6)输出第N位的数字码。
(7)重复(2)-(7)的过程进行第N-1位的转换，直至转换结束进行下一个电压的采样。

Claims (2)

1.一种分割电容镜像搜索的ADC校准方法，其特征是，步骤如下：
(1)进行第n位搜索，n取值从ADC MSB到LSB,其中MSB为ADC最高位；LSB为ADC最低位，因为第n位不存在Wi，Wi为第i位误差，i为单位电容的位置，所以对第n位进行遍历搜索通过误差检测方法获得第n位每个单位电容的Wi，然后对Wi进行排序得到Ws，Ws由Wi进行排列组成；
(2)按此方法搜索所有需要搜索的点，并建立Ws与原电容位置i的索引Ic，以便于通过排序后的误差值直接索引至原电容组合；
(3)在Ws<0的半侧选取Win，并通过在2n-1点镜像对称的方式在Ws>0侧选取Wip，通过这种镜像选择的方式对电容进行搜索可以保证两个电容的和达到一个较为精确的值；
(4)此时已经选取好了两个Wi，通过上面步骤建立的索引Ic将两个Wi索引至原始的2个电容组合，并将这2个电容组合相加得到一个新的电容组合；
(5)通过误差检测方法检测新的电容组合误差，将这些所有的误差以数组形式存储；
(6)待所有Ws>0侧范围的Wi选定完成时，将第5步存储的误差进行排序，选取与0点最近的两点作为为新的误差值Ws；
(7)此时Ws的数量相对于第n位搜索时Ws的数量没有改变，然后再返回第(1)步进行下一位n-1位的搜索，直至所有位搜索完成。
2.如权利要求1所述的分割电容镜像搜索的ADC校准方法，其特征是，将步骤(1)-(7)逐次逼近转换过程应用于SAR ADC，则该SAR ADC的工作过程如下：
a)按照本发明提出的分割电容镜像搜索算法搜索最优的电容匹配并得到他们的地址存在寄存器之中；
b)进行逐次逼近转换过程；
c)对输入电压Vin进行采样，使电容阵列公共端电压为Vin；
d)读取寄存器第N位的电容开关地址，并通过此地址控制相应的电容接GND或Vref。
e)在电容阵列公共端产生精确的电压变化，并通过比较器与Vref进行比较；
f)输出第N位的数字码；
g)重复b)-g)的过程进行第N-1位的转换，直至转换结束进行下一个电压的采样。
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