CN114553229B - 一种电容失配校准方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电容失配校准方法及电路，包括：第一电容阵列、第二电容阵列及参考电容，其中：第一电容阵列、第二电容阵列及参考电容的上极板均连接在一起；基于工作状态切换第一电容阵列的下极板、第二电容阵列的下极板及参考电容的下极板的电压值，以此计算得到第一电容阵列与第二电容阵列相对于参考电容的偏差。通过计算第一电容阵列与第二电容阵列相对于参考电容的偏差，对第一电容阵列及第二电容阵列中的电容进行校准，设计ADC、DAC等数据转换器，从而提高数据转换器的精度。通过种子矩阵最终得到一个非零的行列式矩阵，计算第一电容阵列及第二电容阵列中每一个电容的具体校准值，操作过程简化，运算量小，有效地节约计算资源。

Description

一种电容失配校准方法及电路

技术领域

本发明涉及集成电路设计领域，特别是涉及一种电容失配校准方法及电路。

背景技术

在数据转换器(包括模数转换器- Analog to Digital Converter，简称ADC；以及数模转换器Digital to Analog Converter，简称DAC)的实现中，严格的精确度和元件匹配确保了各种高要求的特性。因为集成的器件例如电容的匹配精度和晶体管的参数的精度仅在0.1%数量级，所以有必要使用数字技术校准这些值或者修正结果。因此，有很多方法可以显著地帮助数据转换器设计者增强转换器的预期性能。例如误差测量的方法以及在模拟域或者数字域的误差进行校正或者校准的操作。所用的方法可以是在线的(数据转换器正在连续工作时)，或者是离线的(数据转换器没有在工作)。

数字技术的高速发展激发了人们越来越多地使用数字技术通过对静态极限和可能的动态极限的校正或者校准来改进ADC或者DAC的设计。这样操作的好处减少了对需要特殊制造步骤、费用昂贵的工艺的需求；另一个好处在于保持高的成品率、好的可靠性和长期稳定性的同时器件成本降低。

为减小数据转换器中的电容失配，通常采用电容失配校准算法，如何实现算法的复杂度与校准的有效性及制造工艺成本可控之间的平衡，是电容失配校准技术中亟需解决的重点。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种电容失配校准方法及电路，用于解决现有技术中电容的校准失配概率较高的缺陷，从而影响数据转换精度的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种电容失配校准电路，所述电容失配校准电路包括：第一电容阵列、第二电容阵列及参考电容，其中：

所述第一电容阵列、所述第二电容阵列及所述参考电容的上极板均连接在一起；

基于工作状态切换所述第一电容阵列的下极板、所述第二电容阵列的下极板及所述参考电容的下极板的电压值，以此计算得到所述第一电容阵列与所述第二电容阵列相对于所述参考电容的偏差。

可选地，所述第一电容阵列与所述第二电容阵列都包括2^N-1个电容，其中，N为大于等于1的自然数。

可选地，所述参考电容的精度值为0.1%。

本发明提供一种电容失配校准方法，基于所述电容失配校准电路实现，所述电容失配校准方法至少包括：

1)将所述第一电容阵列的下极板设定为第一预设电压，将所述第二电容阵列的下极板设定为第二预设电压，给所述参考电容的下极板充电，使所述第一电容阵列、所述第二电容阵列及所述参考电容的上极板的电压值为标准电压；

2)将所述第一电容阵列的下极板切换至所述第二预设电压，将所述第二电容阵列的下极板切换至所述第一预设电压，则所述第一电容阵列、所述第二电容阵列及所述参考电容的上极板浮动，通过调整所述参考电容的充电电压，使所述第一电容阵列、所述第二电容阵列及所述参考电容的上极板的电压值为所述标准电压，并读取此刻的所述充电电压，其中，所述充电电压的电压取值范围为(0，第一预设电压]；

3)计算所述第一电容阵列与所述第二电容阵列相对于所述参考电容的偏差值 D_MEAS，使所述偏差值D_MEAS满足关系式

，C_A为所述 第一电容阵列的容值，C_B为所述第二电容阵列的容值，C_REF为所述参考电容的容值，V_标准为所 述标准电压，V_充电为读取的所述充电电压，V₁为所述第一预设电压，V₂为所述第二预设电压；

4)基于等式

，通过求解矩阵P的方程组，得到所述第 一电容阵列及所述第二电容阵列中每一个电容的校准值C₁至C₂ ^N，其中，所述矩阵P为对称矩 阵，K为所述第一电容阵列与所述第二电容阵列的电容数量和；

5)基于每一个所述校准值对所述第一电容阵列及所述第二电容阵列中的电容进行校准。

可选地，所述标准电压为所述第一预设电压的一半。

可选地，所述第一预设电压为参考电压，所述第二预设电压为参考地。

可选地，所述矩阵P由种子矩阵A₁生成，其中，所述种子矩阵

或

，1代表所述第一电容阵列或所述第二电容阵列的下极板连接第一预设 电压，-1代表所述第一电容阵列或所述第二电容阵列的下极板连接第二预设电压，K等于 2^N，N为大于1的自然数。

可选地，所述种子矩阵A₁生成所述矩阵P的方法为：

基于所述种子矩阵A₁生成矩阵

或

；基于所述矩阵A₂生成矩阵

或

，以此类推， 得到矩阵

或

，使所述 矩阵P等于所述矩阵A₂ ^N。

如上所述，本发明的一种电容失配校准方法及电路，具有以下有益效果：

1) 本发明通过计算第一电容阵列与第二电容阵列相对于参考电容的偏差，对第一电容阵列及第二电容阵列中的电容进行校准，以校准之后的第一电容阵列及第二电容阵列为基准，设计ADC、DAC等数据转换器，从而提高数据转换器的精度。

2) 本发明通过种子矩阵最终得到一个非零的行列式矩阵，利用行列式矩阵的对称且收敛的属性，求解计算第一电容阵列及第二电容阵列中每一个电容的具体校准值，操作过程简化，运算量小，有效地节约计算资源。

附图说明

图1显示为本发明的电容失配校准电路结构示意图。

图2显示为本发明的电容失配校准方法功能流程示意图。

元件标号说明

11-第一电容阵列；12-第二电容阵列；13-参考电容；S1~S5-步骤。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种电容失配校准电路，所述电容失配校准电路包括：第一电容阵列11、第二电容阵列12及参考电容13，其中：所述第一电容阵列11、所述第二电容阵列12及所述参考电容13的上极板均连接在一起；

基于工作状态切换所述第一电容阵列11的下极板、所述第二电容阵列12的下极板及所述参考电容13的下极板的电压值，以此计算得到所述第一电容阵列11与所述第二电容阵列12相对于所述参考电容13的偏差。

具体地，作为示例，如图1所示，所述第一电容阵11列与所述第二电容阵列12都包括2^N-1个电容，其中，N为大于等于1的自然数。所述参考电容13的精度值为0.1%。需要说明的是，第一电容阵列11与第二电容阵列12的电容数量必须相等，以方便进行种子矩阵的构建，为了使得到的种子矩阵满足收敛属性，从而更容易计算，同时节约运算资源，通常情况下，将第一电容阵列11与第二电容阵列中电容数量设置为2^N-1，随着数据处理能力的不断增强，例如量子计算的发展，使所述第一电容阵列11与第二电容阵列12中电容数量也可以设置为其他数值，并不局限于2^N-1个，任意能够相对于参考电容13进行偏差计算的电容数量设置均适用，不以本实施例为限。所述参考电容13的精度值不局限为0.1%，也可以为0.01%或0.001%或数值更低的精度值，只要工艺能达到的精度值，都可以用来设置参考电容13，需要补充说明的是，电容的精度值又称为电容的误差范围，参考电容13作为参考基准，也可以不需要满足太高的精度(即不需要对参考电容13的精度或误差范围过于苛求)，因为计算第一电容阵列11与第二电容阵列12相对于参考电容13的偏差值，得到的每一个电容的校准值，每一个电容的精度为关于参考电容13的相对精度，根据每一个电容的校准值进行数据转换器(比如ADC或者DAC)设计，在实际的应用场景中，根据需求对参考电容13的精度进行设置，只要能够提高器件的数据转换能力，制造出符合需求的并且性能优良的产品即可。

实施例二

如图1及图2所示，本实施例提供一种电容失配校准方法，基于如实施例一所述的电容失配校准电路实现，其特征在于，所述电容失配校准方法至少包括：

S1：如图1及图2所示，将所述第一电容阵列11的下极板设定为第一预设电压，将所述第二电容阵列12的下极板设定为第二预设电压，给所述参考电容13的下极板充电，使所述第一电容阵列11、所述第二电容阵列12及所述参考电容13的上极板的电压值为标准电压。

具体地，作为示例，如图1及图2所示，所述标准电压为所述第一预设电压的一半，所述第一预设电压为参考电压V_REF，所述第二预设电压为参考地GND。需要说明的是，所述标准电压的设置包括但不限于参考电压V_REF的一半，也可以为参考电压的1/3或1/4或2/3或3/4或其他数值，任意能够满足失配校准的参考电压设置均适用，不以本实施例为限。在步骤S1中，所述第一电容阵列11的下极板也可以设定为第二预设电压，所述第二电容阵列12的下极板也可以设定为第一预设电压，任意能够满足失配校准的设置方式均适用，不以本实施例为限。

S2：如图1及图2所示，将所述第一电容阵列11的下极板切换至所述第二预设电压，将所述第二电容阵列12的下极板切换至所述第一预设电压，则所述第一电容阵列11、所述第二电容阵列12及所述参考电容的13上极板浮动，通过调整所述参考电容13的充电电压，使所述第一电容阵列11、所述第二电容阵列12及所述参考电容13的上极板的电压值为所述标准电压，并读取此刻的所述充电电压，其中，所述充电电压的电压取值范围为(0，第一预设电压]。

具体地，作为示例，如图1及图2所示，通过改变所述参考电容13的充电电压，使所述第一电容阵列11、所述第二电容阵列12及所述参考电容13的上极板的电压值达到所述标准电压，步骤S1和步骤S2中所述第一电容阵列11、所述第二电容阵列12及所述参考电容13积累的电荷是相等的，方便在步骤S3中进行下一步操作。

S3：如图1及图2所示，计算所述第一电容阵列与所述第二电容阵列相对于所述参 考电容的偏差值D_MEAS，使所述偏差值D_MEAS满足关系式

，C_A为所述第一电容阵列的容值，C_B为所述第 二电容阵列的容值，C_REF为所述参考电容的容值，V_标准为所述标准电压，V_充电为读取的所述充 电电压，V₁为所述第一预设电压，V₂为所述第二预设电压，其中，MEAS为正整数，MEAS的取值 范围为[1，2^N-1]，N为大于等于1的自然数；由于第一预设电压为参考电压V_REF，第二预设电 压为参考地GND，因此V₁-V₂=V_REF，即关系式

也 可以写为

。

具体地，作为示例，如图1及图2所示，在步骤S1中，所述第一电容阵列11、所述第二电容阵列12及所述参考电容13积累的电荷设为Q1；在步骤S2中，所述第一电容阵列11、所述第二电容阵列12及所述参考电容13积累的电荷设为Q2，其中：

Q1 = ( V_标准- V_REF)* C_A + ( V_标准- GND)* C_B + ( V_标准_- 0.5* V_REF)* C_REF；

Q2 = (V_x - GND) * C_A + (V_x - V_REF) * C_B + (V_x- V_充电) *C_REF ，其中，V_x为所述第一电容阵列11、所述第二电容阵列12及所述参考电容的13上极板浮动时的电压值，

在步骤S2中，调节V_充电，最终使V_x = V_标准，根据电荷守恒定律，Q1 = Q2，而V_标准为参 考电压V_REF的一半，即0.5* V_REF，最终可以推导出

，即

。

S4：如图1及图2所示，基于等式

，通过求解矩阵P的方 程组，得到所述第一电容阵列11及所述第二电容阵列12中每一个电容的校准值C₁至C₂ ^N，其 中，所述矩阵P为对称矩阵，K为所述第一电容阵列与所述第二电容阵列的电容数量和。

具体地，作为示例，如图1及图2所示，所述矩阵P由种子矩阵A₁生成，其中，所述种 子矩阵

或

，1代表所述第一电容阵列11或所述第二 电容阵列12的下极板连接第一预设电压，即参考电压V_REF；-1代表所述第一电容阵列11或所 述第二电容阵列12的下极板连接第二预设电压，即参考地GND，K等于2^N，N为大于1的自然 数。更具体地，所述种子矩阵A₁生成所述矩阵P的方法为：

基于所述种子矩阵A₁生成矩阵

或

；基于所述矩阵A₂生成矩阵

或

，以此类推， 得到矩阵

或

，使所述 矩阵P等于所述矩阵A₂ ^N。需要说明的是，所述矩阵P为一个非零的行列式矩阵，利用行列式矩 阵的对称且收敛的属性，所述矩阵P的逆矩阵也是对称且收敛的，对步骤S4中的等式两边同 时乘以矩阵P的逆矩阵，得到第一电容阵列11及第二电容阵列12中每一个电容的具体校准 值，即C₁至C₂ ^N的每一个具体的值。

S5：如图1及图2所示，基于每一个所述校准值对所述第一电容阵列11及所述第二电容阵列12中的电容进行校准，以校准之后的第一电容阵列11及第二电容阵列12为基准，设计ADC、DAC等数据转换器，进而提高数据转换器的精度。

具体地，作为示例，如图1及图2所示，以下阐述了所述矩阵P由所述种子矩阵A₁的生成，并求解第一电容阵列11及第二电容阵列12中每一个电容的具体校准值的过程如下：

设定两个方程组：k₁ = x₁ + x₂ 和k₂ = x₁ - x₂ ；

相当于

，其中

；

将k₁、k₂乘以种子矩阵A₁每一列的系数，得到：k₁*1 = x₁ + x₂，k₂*1= x₁ - x₂ 和k₁*1 = x₁ + x₂，k₂*(-1)= -x₁ + x₂，通过计算，得到x₁与x₂的解；

通过矩阵A₁生成矩阵A₂，使矩阵

，则矩阵

，其中，- A₁代表矩阵A₁的反向系数；

基于矩阵A₂，生成新的方程组：k₁ = x₁ + x₂+ x₃ + x₄，k₂ = x₁ - x₂ + x₃ - x₄，k₃ =x₁ + x₂- x₃ -x₄，k₄ = x₁ - x₂- x₃ +x₄；

将k₁、k₂、k₃及k₄乘以矩阵A₂每一列的系数，并得到相应的结果；例如对于矩阵A₂的第二列：k₁*1 = x₁ + x₂+ x₃ + x₄，k₂ *(-1)= - x₁ + x₂ - x₃ + x₄，k₃*1 = x₁ + x₂- x₃ -x₄，k₄ *(-1)= -x₁ + x₂ + x₃ - x₄；通过相加得到4x₂，类似地，通过对矩阵A₂的其他列计算得到x₁、x₃及x₄的解；

通过矩阵A₂矩阵A₃，使矩阵

，则

矩阵A₃ =

，其中，- A₂代表矩阵A₂的反向系数；

基于矩阵A₃得到8个方程组，将8个方程组乘以矩阵A₃的每一列的系数，并得到8个解，由于求解的过程与基于矩阵A₂进行求解的过程类似，在此就不详细赘述；

以此类推，进一步得到矩阵

，使所述矩阵P等于 所述矩阵A₂ ^N，基于矩阵P得到2^N个方程组，计算得到2^N个解，其中，求解2^N个方程组中每一个 解的过程只是根据矩阵P的每一列系数进行相应的加减操作得到，不会占用太多运算资源。 因此，基于种子矩阵A₁最终生成矩阵P求解第一电容阵列11及第二电容阵列12中每一个电 容的具体校准值的过程，生成的矩阵P满足对称且收敛的属性，操作过程简化，运算量小，能 够有效地节约计算资源。

综上所述，本发明的一种电容失配校准方法及电路，包括：第一电容阵列、第二电容阵列及参考电容，其中：所述第一电容阵列、所述第二电容阵列及所述参考电容的上极板均连接在一起；基于工作状态切换所述第一电容阵列的下极板、所述第二电容阵列的下极板及所述参考电容的下极板的电压值，以此计算得到所述第一电容阵列与所述第二电容阵列相对于所述参考电容的偏差。本发明通过计算第一电容阵列与第二电容阵列相对于参考电容的偏差，对第一电容阵列及第二电容阵列中的电容进行校准，以校准之后的第一电容阵列及第二电容阵列为基准，设计ADC、DAC等数据转换器，从而提高数据转换器的精度。本发明通过种子矩阵最终得到一个非零的行列式矩阵，利用行列式矩阵的对称且收敛的属性，求解计算第一电容阵列及第二电容阵列中每一个电容的具体校准值，操作过程简化，运算量小，有效地节约计算资源。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种电容失配校准方法，通过一种电容失配校准电路实现，所述电容失配校准电路包括：第一电容阵列、第二电容阵列及参考电容，其中：所述第一电容阵列、所述第二电容阵列及所述参考电容的上极板均连接在一起；基于工作状态切换所述第一电容阵列的下极板、所述第二电容阵列的下极板及所述参考电容的下极板的电压值，以此计算得到所述第一电容阵列与所述第二电容阵列相对于所述参考电容的偏差，其中，所述第一电容阵列与所述第二电容阵列都包括2^N-1个电容，其中，N为大于等于1的自然数；所述参考电容的精度值为0.1%，其特征在于，所述电容失配校准方法至少包括：

1)将所述第一电容阵列的下极板设定为第一预设电压，将所述第二电容阵列的下极板设定为第二预设电压，给所述参考电容的下极板充电，使所述第一电容阵列、所述第二电容阵列及所述参考电容的上极板的电压值为标准电压；

2)将所述第一电容阵列的下极板切换至所述第二预设电压，将所述第二电容阵列的下极板切换至所述第一预设电压，则所述第一电容阵列、所述第二电容阵列及所述参考电容的上极板浮动，通过调整所述参考电容的充电电压，使所述第一电容阵列、所述第二电容阵列及所述参考电容的上极板的电压值为所述标准电压，并读取此刻的所述充电电压，其中，所述充电电压的电压取值范围为(0，第一预设电压]；

3)计算所述第一电容阵列与所述第二电容阵列相对于所述参考电容的偏差值D_MEAS，使 所述偏差值D_MEAS满足关系式

，其中，C_A为所述 第一电容阵列的容值，C_B为所述第二电容阵列的容值，C_REF为所述参考电容的容值，V_标准为所 述标准电压，V_充电为读取的所述充电电压，V₁为所述第一预设电压，V₂为所述第二预设电压， MEAS为正整数，MEAS的取值范围为[1，2^N-1]，N为大于等于1的自然数；

4)基于等式

，通过求解矩阵P的方程组，得到所述第一电容 阵列及所述第二电容阵列中每一个电容的校准值C₁至C₂ ^N，其中，所述矩阵P为对称矩阵，K为 所述第一电容阵列与所述第二电容阵列的电容数量和；

5)基于每一个所述校准值对所述第一电容阵列及所述第二电容阵列中的电容进行校准。

2.根据权利要求1所述的电容失配校准方法，其特征在于：所述标准电压为所述第一预设电压的一半。

3.根据权利要求2所述的电容失配校准方法，其特征在于：所述第一预设电压为参考电压，所述第二预设电压为参考地。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的电容失配校准方法，其特征在于：所述矩阵P由种 子矩阵A₁生成，其中，所述种子矩阵

或

，1代表所述 第一电容阵列或所述第二电容阵列的下极板连接第一预设电压，-1代表所述第一电容阵列 或所述第二电容阵列的下极板连接第二预设电压，K等于2^N，N为大于1的自然数。

5.根据权利要求4所述的电容失配校准方法，其特征在于：所述种子矩阵A₁生成所述矩阵P的方法为：

基于所述种子矩阵A₁生成矩阵

或

；基 于所述矩阵A₂生成矩阵

或

，以此类推，得到 矩阵

或

，使所述矩阵 P等于所述矩阵A₂ ^N。

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