CN114389613B - 一种分段式逐次逼近型adc的电容失配校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分段式逐次逼近型ADC的电容失配校准方法，包括：通过开关切换使DAC的两个输出端的电压均与对应电容的权重有关，利用低位的子DAC以及复用比较器在数字域求出正的权重电压；再利用差分特性，反向拨动DAC阵列并量化，计算得到负的权重电压；其中，在校准期间，在LSB段注入抖动信号，为量化过程提供噪声，打散权重电压的固定量化误差；通过多次比较后，统计累加求平均消除抖动信号；再对正的权重和负的权重作差，消除比较器失调分量，求得实际权重。本发明能够求出MSB各位电容的实际权重，对逐次逼近型模数转换器（ADC）的电容进行精准校准，改善ADC整体的线性度。
Description
技术领域
本发明涉及数模混合集成电路设计技术领域，具体而言涉及一种分段式逐次逼近型ADC的电容失配校准方法。
背景技术
逐次逼近型模数转换器（SAR ADC）的原理是通过二进制搜索算法对输入信号进行量化，利用DAC、比较器和数字逻辑控制部分，控制DAC的输出电压逐次逼近模拟输入电压。
由于SAR ADC能够兼顾速度、功耗、集成度等性能，因此成为了近年来国内外ADC设计领域的研究热点。但是，SAR ADC存在DAC电容失配问题，限制其精度的进一步提升。电容失配是芯片生产制造过程中不可避免的现象，若通过增加电容值来降低其失配，则引入极大的面积和功耗成本，为了消除电容失配带来的影响对其校准是一种低成本的方案。传统的校准方案存在以下几个问题：1，用低端电容阵列校准高位电容权重，其自身失配会累加，造成校准精度下降；2，比较器失调电压会干扰校准时求解的权重值；3，量化权重时，ADC的输入等效为直流信号，其量化误差较大，导致权重不够精确。
专利号为CN107579740A的发明中提及一种提高流水线模数转换器输出精度的方法及模数转换器，包括以下步骤：S1：在第一级级电路中增加校准模块，所述校准模块包括开关电容阵列，所述开关电容阵列中包括至少一抖动电容；S2：在所述级电路输入信号为零时，对所述余差放大电路中每个采样电容及每个抖动电容的初始权重值进行测量和存储；S3：利用每个采样电容的初始权重值来校准所述级电路输出的数字信号，利用每个抖动电容的初始权重值在数字域完成去抖动处理，完成前台校准过程。但该发明需要知道每个采样电容的初始权重值，还需要每个抖动电容和采样电容与基准电容的权重比例，否则，无法完成校准。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种分段式逐次逼近型ADC的电容失配校准方法，能够求出MSB各位电容的实际权重，对逐次逼近型模数转换器（ADC）的电容进行精准校准，改善ADC整体的线性度。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种分段式逐次逼近型ADC的电容失配校准方法，所述电容失配校准方法包括以下步骤：
通过开关切换使DAC的两个输出端的电压均与对应电容的权重有关，利用低位的子DAC以及复用比较器在数字域求出正的权重电压；再利用差分特性，反向拨动DAC阵列并量化，计算得到负的权重电压；其中，在校准期间，在LSB段注入抖动信号，为量化过程提供噪声，打散权重电压的固定量化误差；
通过多次比较后，统计累加求平均消除抖动信号；再对正的权重和负的权重作差，消除比较器失调分量，求得实际权重。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
进一步地，所述电容失配校准方法只对MSB段的各个电容进行校准。
进一步地，通过开关切换使DAC的两个输出端的电压均与对应电容的权重有关，利用低位的子DAC以及复用比较器在数字域求出正的权重电压的过程包括以下子步骤：
将MSB段的抖动电容两端断开；
选择其中一个MSB段的冗余位电容，将P端MSB段的该冗余位电容的下极板向上拨，N端MSB段的该冗余位位电容的下极板向下拨， LSB段的抖动电容的下极板接到抖动信号，利用比较器和低位的DAC量化P端和N端的差分电压得到：
其中
为MSB段的该冗余位电容C1的权重电压，表示为：
其中
为P端电容等效到MSB段的总的有效电容，
为N端电容等效到
MSB段的总的有效电容，
是P端MSB段电容
等效到P端MSB段的有效电容，
是
N端MSB段电容
等效到P端MSB段的有效电容，
是参考电压；
为比较器的失调电
压，
为注入的抖动电压，
是一个固定的量化误差；
将
和
合在一起看作是总的误差，对
累加求平均，得到
的平均值
约为：
进一步地，按照从低位到高位，依次对MSB段的每个冗余位电容进行校准。
进一步地，利用差分特性，反向拨动DAC阵列并量化，计算得到负的权重电压的过程包括以下子步骤：
将P端MSB段的最低位电容的下极板向下拨，N端MSB段的最低位电容的下极板向上拨，量化的P端和N端的差分电压变为：
同样地对
累加求平均，去除
和量化误差
得到的
的平均值为：
进一步地，对正的权重和负的权重作差，消除比较器失调分量，求得实际权重的过程包括以下步骤：
将
和
相减并除以2，消除失调电压，求出MSB段相应电容的实际权重。
进一步地，所述电容失配校准方法还包括：
量化结束后，在数字域中减去抖动信号，得到最终的数字输出。
基于前述校准方法，本发明还提及一种分段式逐次逼近型ADC的电容失配校准系统，所述电容失配校准系统包括伪随机信号发生器、开关切换单元、权重电压计算单元、抖动权重消除单元、作差单元和输出单元；
所述伪随机信号发生器，连接至开关阵列，用于将产生抖动信号输出值开关阵列；在校准期间，通过伪随机信号发生器在LSB段注入抖动信号，为量化过程提供噪声，打散权重电压的固定量化误差；
所述开关切换单元用于根据外部控制指令以拨动P端和N端MSB段的每个冗余位电容的下极板，通过对开关切换使DAC的两个输出端的电压均与对应电容的权重有关；
当开关切换单元正向拨动DAC阵列并量化时，所述权重电压计算单元利用低位的子DAC以及复用比较器在数字域求出正的权重电压；当开关切换单元反向拨动DAC阵列并量化时，所述权重电压计算单元计算得到负的权重电压；
所述作差单元与权重电压计算单元的输出端连接，用于通过多次比较后，统计累加求平均消除抖动信号；再对正的权重和负的权重作差，消除比较器失调分量，求得实际权重；
所述输出单元分别与开关阵列的输出端、作差单元的输出端和伪随机信号发生器的输出端连接，用于在量化结束后需要在数字域减去抖动信号，结合实际权重得到最终的数字输出。
本发明的有益效果是：
本发明通过开关切换，使得差分DAC的两端输出与权重电压相关，然后利用低位DAC量化高位电容的权重电压。在LSB注入抖动，为比较器提供噪声，使得量化的误差不固定，最后统计求平均大大降低量化误差。同时利用差分特性，消除比较器的失调电压，进一步提升校准精度。
附图说明
图1是本发明校准阶段的结构框图。
图2是12位分段式电容阵列SAR ADC无校准时的动态性能示意图。
图3是12位分段式电容阵列SAR ADC校准后的动态性能示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明公开了一种Dither辅助的分段式电容阵列的逐次逼近型模数转换器（ADC）的电容失配校准方法，包括：
通过开关切换使DAC的两个输出端的电压均与对应电容的权重有关，利用低位的子DAC以及复用比较器在数字域求出正的权重电压；再利用差分特性，反向拨动DAC阵列并量化，计算得到负的权重电压；其中，在校准期间，在LSB段注入抖动信号，为量化过程提供噪声，打散权重电压的固定量化误差。
通过多次比较后，统计累加求平均消除抖动信号；再对正的权重和负的权重作差，消除比较器失调分量，求得实际权重。
对于分段式电容阵列数模转换（DAC）部分,假设为分为两段（同样适用于多个分段），其低位权重段（LSB段）的电容误差被衰减，所以可以把LSB段的电容看作是理想的电容，桥接电容的误差可以归到MSB段的电容失配中，所以只需要对MSB段的各个电容进行校准即可，因此本实施例的校准方法的直接目的是从低到高求出MSB各位电容的实际权重。
首先校准阶段通过开关切换，使得DAC的输出端的同相和反相（P端和N端）电压与对应电容的权重有关，利用低位的子DAC和比较器量化可以在数字域求出权重，同时利用差分特性，再反向拨动DAC阵列并量化，得到负的权重，因正的权重和负的权重均包含比较器失调分量，故作差即可消除失调电压影响，最终求得实际权重。在校准阶段还通过在LSB段注入抖动（Dither）信号，来给比较器提供噪声，打散量化权重电压时的固定量化误差，通过统计累加求平均消除抖动和量化误差，达到提升校准精度的目的，再经过多次比较之后累加求平均，大大降低量化误差，提升校准精度，同时注入的抖动噪声也被平均为零。最后的正常转换阶段在MSB段和LSB段的抖动电容上注入dither信号用于改善ADC整体的线性度，同时要在数字域将注入的dither信号减去。
图1是本发明校准阶段的结构框图。参见图1，从MSB段的冗余位电容开始，从低位到高位开始校准，校准阶段，MSB段的抖动电容两端断开。以MSB段的最低位电容为例，将P端MSB段的最低位电容的下极板向上拨，N端MSB段的最低位电容的下极板向下拨， LSB段的抖动电容的下极板接到抖动（Dither）信号，此时利用比较器和低位的DAC量化P端和N端的差分电压得到：
其中
为MSB段最低位电容C1的权重电压，可表示为：
其中
为P端电容等效到MSB段的总的有效电容，
为N端电容等效到
MSB段的总的有效电容，
是P端MSB段电容
等效到P端MSB段的有效电容，
是
N端MSB段电容
等效到P端MSB段的有效电容，
是参考电压，
为比较器的失调电
压，
为注入的抖动电压，
是一个固定的量化误差。
将
和
合在一起看作是总的误差，对
累加求平均，得到
的平均值
约为：
为了消除比较器失调电压
，可以利用差分的结构，再将上述P端和N端的操作反过来，将P端MSB段的最低位电容的下极板向下拨， N端MSB段的最低位电容的下极板向上拨，量化的P端和N端的差分电压变为：
同样地对
累加求平均，去除
和量化误差
得到的
的平均值为：
将
和
相减并除以2，即可消除失调电压，求出MSB段最低位电容真正的
实际权重。
如图2、3所示分别为本发明在MATLAB仿真的图，以12位分段式电容阵列SAR ADC为例，但本发明也适用于其它位数的SAR ADC。图2为没有校准时的ADC动态性能，图3为校准后的动态性能，可以看出有效位数和无杂散动态范围都有明显提升。
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 (6)
1.一种分段式逐次逼近型ADC的电容失配校准方法，其特征在于，所述电容失配校准方法包括以下步骤：
通过开关切换使DAC的两个输出端的电压均与对应电容的权重有关，利用低位的子DAC以及复用比较器在数字域求出正的权重电压；再利用差分特性，反向拨动DAC阵列并量化，计算得到负的权重电压；其中，在校准期间，在LSB段注入抖动信号，为量化过程提供噪声，打散权重电压的固定量化误差；
通过多次比较后，统计累加求平均消除抖动信号；再对正的权重和负的权重作差，消除比较器失调分量，求得实际权重；
通过开关切换使DAC的两个输出端的电压均与对应电容的权重有关，利用低位的子DAC以及复用比较器在数字域求出正的权重电压的过程包括以下子步骤：
将MSB段的抖动电容两端断开；
选择其中一个MSB段的冗余位，将选择的MSB段的该冗余位的P端冗余位电容的下极板向上拨，将选择的MSB段的该冗余位的N端冗余位电容的下极板向下拨，LSB段的抖动电容的下极板接到抖动信号，利用比较器和低位的DAC量化P端和N端的差分电压得到：
其中
为MSB段的该冗余位电容C1的权重电压，表示为：
其中CPtot_eff为P端电容等效到MSB段的总的有效电容，CNtot_eff为N端电容等效到MSB段的总的有效电容，C1P_eff是P端MSB段电容C1P等效到P端MSB段的有效电容，C1N_eff是N端MSB段电容C1N等效到P端MSB段的有效电容，VREF是参考电压；
为比较器的失调电压，DDither为注入的抖动电压，Q是一个固定的量化误差；
将DDither和Q合在一起看作是总的误差，对Dout1累加求平均，得到Dout1的平均值为：
利用差分特性，反向拨动DAC阵列并量化，计算得到负的权重电压的过程包括以下子步骤：
将P端MSB段的最低位电容的下极板向下拨，N端MSB段的最低位电容的下极板向上拨，量化的P端和N端的差分电压变为：
同样地对Dout2累加求平均，去除DDither和量化误差Q得到的Dout2的平均值为：
2.根据权利要求1所述的分段式逐次逼近型ADC的电容失配校准方法，其特征在于，所述电容失配校准方法只对MSB段的各个电容进行校准。
3.根据权利要求1所述的分段式逐次逼近型ADC的电容失配校准方法，其特征在于，按照从低位到高位，依次对MSB段的每个冗余位电容进行校准。
4.根据权利要求1所述的分段式逐次逼近型ADC的电容失配校准方法，其特征在于，对正的权重和负的权重作差，消除比较器失调分量，求得实际权重的过程包括以下步骤：
将
和
相减并除以2，消除失调电压，求出MSB段相应电容的实际权重。
5.根据权利要求1所述的分段式逐次逼近型ADC的电容失配校准方法，其特征在于，所述电容失配校准方法还包括：
量化结束后，在数字域中减去抖动信号，得到最终的数字输出。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述校准方法的分段式逐次逼近型ADC的电容失配校准系统，其特征在于，所述电容失配校准系统包括伪随机信号发生器、开关切换单元、权重电压计算单元、抖动权重消除单元、作差单元和输出单元；所述伪随机信号发生器，连接至开关阵列，用于将产生抖动信号输出值开关阵列；在校准期间，通过伪随机信号发生器在LSB段注入抖动信号，为量化过程提供噪声，打散权重电压的固定量化误差；
所述开关切换单元用于根据外部控制指令以拨动P端和N端MSB段的每个冗余位电容的下极板，通过对开关切换使DAC的两个输出端的电压均与对应电容的权重有关；
当开关切换单元正向拨动DAC阵列并量化时，所述权重电压计算单元利用低位的子DAC以及复用比较器在数字域求出正的权重电压；当开关切换单元反向拨动DAC阵列并量化时，所述权重电压计算单元计算得到负的权重电压；
所述作差单元与权重电压计算单元的输出端连接，用于通过多次比较后，统计累加求平均消除抖动信号；再对正的权重和负的权重作差，消除比较器失调分量，求得实际权重；
所述输出单元分别与开关阵列的输出端、作差单元的输出端和伪随机信号发生器的输出端连接，用于在量化结束后需要在数字域减去抖动信号，结合实际权重得到最终的数字输出。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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