CN113014261A - 一种逐次逼近型adc的备用比较器轮换校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种逐次逼近型ADC的备用比较器轮换校准方法，转换开始时，将N‑1个比较器参与正常的SAR转换操作，剩余一个比较器作为备用比较器进行后台校准；下一次转换开始时，根据上一个转换周期最后一次比较得到的量化结果作为随机信号来决定备用比较器和工作比较器中的哪一个进行交换，对交换后的比较器进行校准，本发明通过让比较器在正常的SAR转换期间进行后台校准工作，不会增加额外的工作相位，使用ADC自带的近似随机的量化结果控制备用比较器和其他比较器之间相互交替工作，让每个比较器都能被轮换校准到，提高了校准的精度和效率，且失调校准通过量化一个零差分电压实现，改善了校准依赖于信号分布的问题。

Description

一种逐次逼近型ADC的备用比较器轮换校准方法
技术领域
本发明属于高速通信的技术领域，具体的说，涉及一种面向2b/cycle逐次逼近型ADC的备用比较器轮换校准方法。
背景技术
现代高速通信系统，需要用到中等分辨率以及数百兆采样率的模数转换器，SARADC（Successive-Approximation-Register , SAR ADC)由于简单紧凑的结构、低功耗、兼容先进工艺的优点被广泛使用。2b/cycle SAR ADC是一种结合Flash ADC的思想，在传统1b/cycle SAR ADC结构中引入多个比较器，一次并行比较出多比特的结构，因此，与1b/cycle的方式相比，它可以通过更少的比较次数来达到相同的分辨率。但是，不同比较器之间的失调失配会导致错误的转换，制约整个SAR ADC的精度，因此失调校准就成了2b/cycleSAR ADC中非常重要的一环。前台校准的方法只在ADC正常工作之前进行一次失调校准，之后将无法再跟随电压、温度的变化，而传统的后台校准对于多个比较器，校准时间也会消耗得更长。在同样的输入信号下判断结果补偿2b/cycle电路中外侧比较器失调的方法也受到了信号分布的限制，且增加一个相位会影响ADC的速度，这些都是在设计高速SAR ADC时应该避免的。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种基于备用比较器的后台轮换校准方案，能够减小2b/cycle中三个比较器之间的相对失调，同时不增加额外的校准相，随机轮换校准比较器，提高了校准的精度和效率。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种逐次逼近型ADC的备用比较器轮换校准方法，包括以下步骤：
对ADC中的备用比较器进行后台校准：将备用比较器的输入连接到共模电压VCM，对备用比较器的同相端和反相端进行比较，根据该比较结果，增加或减少校准电压的电压值来补偿同相端或者反相端的失调；
在每个转换周期下对比较器进行随机轮换校准操作，包括：
S1：转换开始时，将N个比较器中的N-1个比较器作为工作比较器参与正常的SAR转换操作，剩余一个比较器作为备用比较器进行后台校准；
S2：下一次转换开始时，根据上一个转换周期最后一次比较得到的量化结果作为随机信号来决定备用比较器和工作比较器中的哪一个进行交换，对交换后的比较器进行校准，
S3：重复步骤S2。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的比较器的数量为4个，转换开始时，3个比较器作为工作比较器，1个比较器作为备用比较器。
对ADC中的备用比较器进行后台校准时，根据备用比较器的同相端和反相端的比较结果，增加或减少校准电压的电压值的具体操作为：若备用比较器的比较结果为1，说明其失调电压偏大，则需要向下调整该比较器的失调电压，即减少校准电压的电压值；若备用比较器的比较结果为0，说明其失调电压偏小，则需要向上调整该比较器的失调电压，即增加校准电压的电压值。
步骤S2中，将上一周期最后一次比较的量化结果作为随机信号控制备用比较器和工作比较器中任意一个切换，具体方法为：现有四个比较器，CMP3、CMP2、CMP1、CMP0，其中CMP0为备用比较器，2b/cycle的SAR ADC在每次量化过程中会产生四种量化结果，即111、011、001和000，把这四种量化结果经过一个全加器会得到11、10、01和00，将它们作为四种随机信号，存储在寄存器里以后续控制备用比较器的切换，第一次转换时，三个工作比较器与正常的SAR转换操作，选取备用比较器进行校准；
若输出的随机信号为11，则在第二个转换周期选取CMP3和备用比较器CMP0交换，让CMP3在此周期的转换相所对应的LSB位比较时刻进行校准操作，而CMP0、CMP2、CMP1参与正常的SAR转换操作；
若输出的随机信号为10，则在第二个转换周期选取CMP2和备用比较器CMP0交换，让CMP2在此周期的转换相所对应的LSB位比较时刻进行校准操作，而CMP3、CMP0、CMP1参与正常的SAR转换操作；
若输出的随机信号为01，则在第二个转换周期选取CMP1和备用比较器CMP0交换，让CMP1在此周期的转换相所对应的LSB位比较时刻进行校准操作，而CMP3、CMP2、CMP0参与正常的SAR转换操作；
若输出的随机信号为00，则在第二个转换周期仍按第一次转换时的比较器工作方式操作，即CMP0在此周期的转换相所对应的LSB位比较时刻进行校准操作，CMP3、CMP2、CMP1参与正常的SAR转换操作。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种适用于2b/cycle逐次逼近型ADC的基于备用比较器的后台轮换校准方案，通过随机选取每个转换周期需要被校准的比较器，达到轮换校准的目的，降低了多个比较器之间的相对失调对ADC综合性能的影响。每次校准都在转换相进行，不会增加额外的时间。本发明具有后台校准的实时性，可以跟随失调电压随电压、温度的变化，相对现有的校准技术有一定的优势。本发明相对于现有技术具有以下优点：1、比较器在转换相进行校准，不需要额外的校准相，节省了时间；2、比较器失调校准是通过量化一个零差分电压实现的，改善了校准依赖于信号分布的问题；3、比较器的轮换校准操作使得每个比较器都可以被随机校准失调，提高了校准的精度和效率。
附图说明
图1为本发明应用于8-bit的总体结构框架图；
图2为本发明提出的后台失调校准的电路和时序图；
图3为本发明中比较器随机轮换操作示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
如图1所示为本发明的校准方案应用于8-bit SAR ADC的总体结构框架图，包括三个比较器CMP3、CMP2、CMP1，一个备用比较器CMP0以及随机轮换校准和控制逻辑。
其中随机轮换校准的时序如图2所示，当CMP3、CMP2、CMP0在正常的SAR转换期间量化余量信号时，备用比较器CMP0的输入被连接到了共模电压VCM，然后CMP0的输出被多路复用器馈入到校准单元，该多路复用器用来选择比较器连接到SAR逻辑还是校准单元，根据CMP0的输出结果，增加或减少校准电压的电压值以补偿同相端和反相端的失调，这可以改善校准依赖于信号分布的问题，具体过程为：
若输出结果为0，则表明同相端的失调小于反相端的失调，然后通过增加同相端的校准电压来补偿其失调；
若输出结果为1，则表明同相端的失调大于反相端的失调，然后通过增加反相端的校准电压来补偿其失调,失调校准在转换相完成，不添加额外的校准相位，不会影响常规SAR的工作速度，且比较器的随机轮换校准提高了校准的精度和效率，而且这种方法不会因为输入阈值电压过大而无法识别到失调电压，不依赖于信号的分布。
然后断开VCM信号到CMP0的接入，CMP3、CMP2、CMP1、CMP0通过随机信号11、10、01、00来切换进行轮换校准工作，正如图3所示，具体包括以下步骤：
第一次转换时，让三个比较器CMP3、CMP2、CMP1参与正常的SAR转换操作，选取备用比较器CMP0进行校准；
从第二次转换开始时，根据上一个转换周期最后一次比较得到的量化结果作为随机信号来被校准的比较器和参与转换的三个比较器中哪一个进行交换，2b/cycle的比较会有四种量化结果，分别是111、011、001、000，将其经过一个全加器，就可以得到两位输出信号，分别是11、10、01、00，使这四个信号作为控制备用比较器和其他三个比较器轮换的随机信号，若输出的随机信号为11，则在下一周期选取CMP3和备用比较器CMP0交换，让CMP3在下一周期转换相所对应的LSB位比较时刻进行校准操作，CMP0、CMP2、CMP1参与正常的SAR转换操作；若输出的随机信号为10，则在下一周期选取CMP2和备用比较器CMP0交换，让CMP2在下一周期转换相所对应的LSB位比较时刻进行校准操作，CMP3、CMP0、CMP1参与正常的SAR转换操作；若输出的随机信号为01，则在下一周期选取CMP1和备用比较器CMP0交换，让CMP1在下一周期转换相所对应的LSB位时刻进行校准操作，CMP3、CMP2、CMP0参与正常的SAR转换操作；若输出的随机信号为00，则在下一周期仍按第一次转换时的比较器工作方式操作，即CMP0在下一周期转换相所对应的LSB位时刻进行校准操作，CMP3、CMP2、CMP1参与正常的SAR转换操作。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种逐次逼近型ADC的备用比较器轮换校准方法，其特征是：包括以下步骤：
对ADC中的备用比较器进行后台校准：将备用比较器的输入连接到共模电压VCM，对备用比较器的同相端和反相端进行比较，根据该比较结果，增加或减少校准电压的电压值来补偿同相端或者反相端的失调；
在每个转换周期下对比较器进行随机轮换校准操作，包括：
S1：转换开始时，将N个比较器中的N-1个比较器作为工作比较器参与正常的SAR转换操作，剩余一个比较器作为备用比较器进行后台校准；
S2：下一次转换开始时，根据上一个转换周期最后一次比较得到的量化结果作为随机信号来决定备用比较器和工作比较器中的哪一个进行交换，对交换后的比较器进行校准，
S3：重复步骤S2。
2.根据权利要求1所述的一种逐次逼近型ADC的备用比较器轮换校准方法，其特征是：所述的比较器的数量为4个，转换开始时，3个比较器作为工作比较器，1个比较器作为备用比较器。
3.根据权利要求1所述的一种逐次逼近型ADC的备用比较器轮换校准方法，其特征是：对ADC中的备用比较器进行后台校准时，根据备用比较器的同相端和反相端的比较结果，增加或减少校准电压的电压值的具体操作为：若备用比较器的比较结果为1，说明其失调电压偏大，则需要向下调整该比较器的失调电压，即减少校准电压的电压值；若备用比较器的比较结果为0，说明其失调电压偏小，则需要向上调整该比较器的失调电压，即增加校准电压的电压值。
4.根据权利要求2所述的一种逐次逼近型ADC的备用比较器轮换校准方法，其特征是：步骤S2中，将上一周期最后一次比较的量化结果作为随机信号控制备用比较器和工作比较器中任意一个切换，具体方法为：现有四个比较器，CMP3、CMP2、CMP1、CMP0，其中CMP0为备用比较器，2b/cycle的SAR ADC在每次量化过程中会产生四种量化结果，即111、011、001和000，把这四种量化结果经过一个全加器会得到11、10、01和00，将它们作为四种随机信号，存储在寄存器里以后续控制备用比较器的切换，第一次转换时，三个工作比较器与正常的SAR转换操作，选取备用比较器进行校准；
若输出的随机信号为11，则在第二个转换周期选取CMP3和备用比较器CMP0交换，让CMP3在此周期的转换相所对应的LSB位比较时刻进行校准操作，而CMP0、CMP2、CMP1参与正常的SAR转换操作；
若输出的随机信号为10，则在第二个转换周期选取CMP2和备用比较器CMP0交换，让CMP2在此周期的转换相所对应的LSB位比较时刻进行校准操作，而CMP3、CMP0、CMP1参与正常的SAR转换操作；
若输出的随机信号为01，则在第二个转换周期选取CMP1和备用比较器CMP0交换，让CMP1在此周期的转换相所对应的LSB位比较时刻进行校准操作，而CMP3、CMP2、CMP0参与正常的SAR转换操作；
若输出的随机信号为00，则在第二个转换周期仍按第一次转换时的比较器工作方式操作，即CMP0在此周期的转换相所对应的LSB位比较时刻进行校准操作，CMP3、CMP2、CMP1参与正常的SAR转换操作。
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