CN111313904A - 一种应用于模拟数字转换器的增益误差校正方法 - Google Patents

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    • H03M3/30—Delta-sigma modulation
    • H03M3/38—Calibration
    • H03M3/382—Calibration at one point of the transfer characteristic, i.e. by adjusting a single reference value, e.g. bias or gain error

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Abstract

本发明公开的属于模拟和数字混合信号集成电路设计技术领域，具体为一种应用于模拟数字转换器的增益误差校正方法，该应用于模拟数字转换器的增益误差校正方法的具体方式如下：参考电压Vref为满摆幅信号范围Vfs的一半，在校正期间，输入信号Vin与参考电压Vref短接，参考电压Vref一侧的采样电容Cr是输入信号Vin一侧的采样电容Ci的两倍，电容失配造成实际输出值偏离参考电压Vref；不需要片内提供精密参考源和复杂校正逻辑，仅仅依靠已知的Vref电压值和输出结果就可以方便的计算出校正因子，可以很好的避开这种ADC在满量程附近的低线性度区域，获得更好的校正效果。

Description

一种应用于模拟数字转换器的增益误差校正方法
技术领域
本发明涉及模拟和数字混合信号集成电路设计技术领域，具体为一种应用于模拟数字转换器的增益误差校正方法。
背景技术
模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。
离散时间SIGMA-DELTA型模拟数字转换器(ADC)，其由模拟部分的开关电容SIGMA-DELTA型模拟调制器和数字滤波器构成，如图1所示。其中，模拟调制器由积分器和比较器等模块组成，其中最关键的模块就是积分器，典型的积分器结构如图2所示，由于Cr和Ci的失配、开关的电荷注入和电荷溃通效应以及运算放大器的有限增益等因素，导致整个模拟数字转换器出现一定的增益误差，即输出与输入之间不是1倍的关系，而是呈现为以下表达式：
Dout＝Vin*(1+e)
上式中的e即为增益误差。对于一般的开关电容SIGMA-DELTA型模拟数字转换器，若不进行校正的话，该误差约为0.1％左右，在精密测量应用中，这样的误差量通常无法满足要求。
现有的增益误差方案主要有两种：
一种是在片内设计一种高精度的参考源，在校正时输入到ADC的输入端，读取ADC的输出值，比较ADC的输出信号值与参考源的电压值，从而得出校正系数。该方法比较直观，但是在芯片内部构造高精度的参考源需要较为复杂的设计与修调，会增加设计和测试成本。
另外一种是采用动态调制的结构，将固定的直流增益误差调制成高频的动态误差，并使用滤波器将该高频误差滤除，如图3所示。该方法可以很好的抵消Cr和Ci的电容失配，但是需要的校正时序较为复杂，而且无法校正其他的电荷注入和电荷溃通效应以及运算放大器的有限增益等因素引入的增益误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于模拟数字转换器的增益误差校正方法，以解决上述背景技术中提出的现有的增益误差方案芯片内部构造高精度的参考源需要较为复杂的设计与修调，会增加设计和测试成本，需要的校正时序较为复杂，而且无法校正其他的电荷注入和电荷溃通效应以及运算放大器的有限增益等因素引入的增益误差的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种应用于模拟数字转换器的增益误差校正方法，所述模拟数字转换器为离散时间SIGMA-DELTA型模拟数字转换器，所述离散时间SIGMA-DELTA型模拟数字转换器由运算放大器Av、开关S1～S8和电容Cr、Ci和Cf构成，该应用于模拟数字转换器的增益误差校正方法的具体方式如下：
参考电压Vref为满摆幅信号范围Vfs的一半，在校正期间，输入信号Vin与参考电压Vref短接，参考电压Vref一侧的采样电容Cr是输入信号Vin一侧的采样电容Ci的两倍，电容失配造成实际输出值偏离参考电压Vref；
将输出值除以参考电压Vref值即可得到相应的增益误差校正系数，如下式所示：
a＝Dout/Vref
芯片可以在上电时进行校正，然后将该校正因子存储在片内相应寄存器中，而在正常工作期间，输入接入待转换的信号Vin，而输出值均乘以a即可。
优选的，所述电容Cf的两端分别连接在运算放大器Av的输出端、反相输入端。
优选的，所述参考电压Vref、输入信号Vin均连接在运算放大器Av的反相输入端上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)不需要片内提供精密参考源和复杂校正逻辑，仅仅依靠已知的Vref电压值和输出结果就可以方便的计算出校正因子，而且校正的电压点在SIGMA-DELTA型ADC满量程的中间，可以很好的避开这种ADC在满量程附近的低线性度区域，获得更好的校正效果；
2)在计算校正因子的时候，包含了从信号输入到最终数字输出的整个信号通路上的增益误差，前文提到的电容失配、开关电荷注入和电荷溃通以及运算放大器的有限增益等非理想因素都囊括在内；
3)虽然使用了满量程的一半作为参考电压，依然可以保证输入信号能达到满量程。
附图说明
图1为典型的离散时间SIGMA-DELTA型模拟数字转换器系统框图；
图2为积分器电路原理图；
图3为动态调制增益误差方案的原理图；
图4为本发明积分器校正期间的连接关系图；
图5为本发明积分器正常工作期间的连接关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例：
请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：
如图1所示，是典型的离散时间SIGMA-DELTA型模拟数字转换器(ADC)，其由模拟部分的开关电容SIGMA-DELTA型模拟调制器和数字滤波器构成；
典型的积分器结构如图2所示，由运算放大器(Av)、开关(S1～S8)和电容(Cr，Ci和Cf)构成。
一种应用于模拟数字转换器的增益误差校正方法，所述模拟数字转换器为离散时间SIGMA-DELTA型模拟数字转换器，所述离散时间SIGMA-DELTA型模拟数字转换器由运算放大器Av、开关S1～S8和电容Cr、Ci和Cf构成，该应用于模拟数字转换器的增益误差校正方法的具体方式如下：
参考电压Vref为满摆幅信号范围Vfs的一半，在图4所示的校正期间，输入信号Vin与参考电压Vref短接，参考电压Vref一侧的采样电容Cr是输入信号Vin一侧的采样电容Ci的两倍，则理论上输出电压应该是参考电压Vref，及满摆幅信号范围Vfs的一半。但是由于电容失配等非理想因素的影响，会造成实际输出值偏离参考电压Vref，即引入了增益误差；
将输出值除以参考电压Vref值即可得到相应的增益误差校正系数，如下式所示：
a＝Dout/Vref
芯片可以在上电时进行校正，然后将该校正因子存储在片内相应寄存器中，而在正常工作期间，输入接入待转换的信号Vin，而输出值均乘以a即可。
进一步地，所述电容Cf的两端分别连接在运算放大器Av的输出端、反相输入端。
进一步地，所述参考电压Vref、输入信号Vin均连接在运算放大器Av的反相输入端上。
在不使用复杂校正逻辑，且不需要精密参考源的情况下，实现高达0.005％的校正精度。
虽然使用了满量程的一半作为参考电压，但由于反馈电容Cr＝2*Ci，依然可以保证输入信号能达到满量程。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种应用于模拟数字转换器的增益误差校正方法，所述模拟数字转换器为离散时间SIGMA-DELTA型模拟数字转换器，所述离散时间SIGMA-DELTA型模拟数字转换器由运算放大器Av、开关S1～S8和电容Cr、Ci和Cf构成，其特征在于：该应用于模拟数字转换器的增益误差校正方法的具体方式如下：
参考电压Vref为满摆幅信号范围Vfs的一半，在校正期间，输入信号Vin与参考电压Vref短接，参考电压Vref一侧的采样电容Cr是输入信号Vin一侧的采样电容Ci的两倍，电容失配造成实际输出值偏离参考电压Vref；
将输出值除以参考电压Vref值即可得到相应的增益误差校正系数，如下式所示：
a＝Dout/Vref
芯片可以在上电时进行校正，然后将该校正因子存储在片内相应寄存器中，而在正常工作期间，输入接入待转换的信号Vin，而输出值均乘以a即可。
2.根据权利要求1所述的一种应用于模拟数字转换器的增益误差校正方法，其特征在于：所述电容Cf的两端分别连接在运算放大器Av的输出端、反相输入端。
3.根据权利要求1所述的一种应用于模拟数字转换器的增益误差校正方法，其特征在于：所述参考电压Vref、输入信号Vin均连接在运算放大器Av的反相输入端上。
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