CN205179023U - 一种sar-a/d变换器 - Google Patents

Abstract

本公开内容涉及一种SAR-A/D变换器，包括N_bit比特数模变换器(DAC)，所述数模变换器(DAC)包括具有多个N_Th温度计元件T_j的第一子变换器(C_MSB)以及具有多个二进制加权的元件的第二子变换器(C_LSB)，所述SAR-A/D变换器的特征在于，所述SAR-A/D变换器包括：被配置成选择所述多个N_Th温度计元件T_j的第一组的第一选择器装置、以及被配置成选择所述多个N_Th温度计元件T_j的第二组的第二选择器装置，所述第一选择器装置包括每个与所述第一组中的相应的温度计元件T_j信号通信的多个选择器开关，并且所述第二选择器装置包括与所述第二组中的温度计元件T_j信号通信的单个选择器开关。

Description

一种SAR-A/D变换器

技术领域

本公开涉及一种SAR-A/D变换器。特别地，本公开涉及混合温度计码(thermometercode)-二进制码SAR-A/D变换器的自校准的方法以及这样的混合温度计码-二进制码SAR-A/D变换器。更特别地，本公开涉及作为温度计码SAR-A/D变换器的一部分以优化模数变换器的积分非线性的数模变换器DAC的自校准的方法。

背景技术

本领域已知SARA/D变换器用于模数变换。在这种类型的变换器中，变换是基于对分(dichotomic)搜索所有可能的量化电平(level)以确定最终的变换值。

参考图1，其示出经典SAR-A/D变换器的框图，这样的变换器包括数模变换器(DAC)、逐次逼近寄存器(SAR)、采样保持电路(S/H)、输入电压Vin和参考电压Vref。特别地，还可以被集成在DAC变换器中的采样保持电路被配置成捕获输入电压Vin，而将电压Vin与DAC的输出相比较的电压比较器(Comp)被配置成将结果传输至逐次逼近寄存器(SAR)，SAR向内部DAC发送Vin的逼近数字码，内部DAC的输出通过等同于要与输入电压Vin相比较的SAR的输出数字码的模拟信号被反馈给比较器。

特别地，在内部DAC中通常采用二进制加权的物理元件以执行变换过程。例如，这些二进制加权的物理元件包括电阻器、电容器、电流生成器等。

为了使用具有等于6的数目N_bit＝N_BitBin的比特的二进制变换器来变换对应于二进制码‘101001’的电压(即对应于编号41的码)，6个物理元件可用。在二进制码‘101001’中，对应于索引0、3和5的物理元件(即二进制码‘101001’中的多个)意在以某种方法被选择并且对应的变换后的电压是41/64Vref，其中Vref表示要用于变换过程的参考电压。

然而，如果使用温度计码SARA/D变换器，则所有的物理元件通常彼此相等。因此，在变换过程期间，如果必须使用具有等于6的数目N_bit＝N_BitBin的比特的温度计码变换器来变换对应于二进制码‘101001’(41)的电压，则选择对应于从0到40的索引的等于64(因为2^Λ6＝64)的所有物理元件(而不选择对应于从41到63的索引的物理元件)并且对应的已变换电压总是等于41/64Vref。

相反，在具有混合温度计码和二进制设计的变换器中，将形成变换器的多个物理元件分为两个子集，即由温度计元件形成的一个子集以及由二进制加权的元件形成的另一子集。

也就是，二进制加权的元件定义由变换器生成的输出码的LSB比特，而温度计元件定义这样的输出码的MSB比特。

应当注意，具有温度计码和二进制设计的变换器的精度由在二进制元件中实现的最小物理元件来设置并且对应于1LSB，即该比特对应于LSB比特的零索引。

图2的示例是具有带有12个比特的温度计码和二进制设计的变换器，其中输出码如下被组织：

二进制物理元件用于从0到5的索引，其表示输出码的LSB比特，其表示0索引由二进制元件给出，1索引由具有两倍的值(用于0索引的二进制元件的值)的二进制元件给出，2索引由具有四倍的值(用于0索引的二进制元件的值)的二进制元件给出，等等；以及

温度计元件用于从6到11的索引，其表示输出码的MSB比特，使得每个索引包括与索引权重减去6(2^{(比特索引-6)})的二进制编码所需要的一样多的温度计元件的添加。

这样的温度计码ADC的有问题的方面在于，由于后者生成在A/D变换过程中使用的温度计电平的各个电压V_thermo(Thermo＝0…2^N _Th)的值，所以这些电压值V_thermo受到温度计元件不一致的问题的影响，因为它们理想地应当是但是实际上呈现出不理想，这引入这样的电压值V_thermo的误差。

因此，假定提供64个温度计元件T_j，在SAR变换期间所需要的理想电压V_Thermo是：

$V_{Thermo}=\frac{V_{ref}}{T_{tot}}{\Σ}_{j=0}^{Thermo-1}{T}_j$

其中T_tot是温度计元件的总值，Thermo属于从0到64的集合，T_j属于集合T₀,…,T_Thermo-1，因为电压电平比元件多一个。然而，由于所有的温度计元件T_j有缺点，每个具有其自己的误差τ_j，因此可以根据以下公式来重写每个温度计元件：

T_j＝T_ideal+τ_j

鉴于以上描述，用以下公式来表示在SAR变换期间所需要的理想的电压值V_thermo：

$V_{Thermo}=\frac{V_{ref}}{T_{tot}}{\Σ}_{j=0}^{Thermo-1}(T_{ideal}+{\mathrm{\τ}}_j)$

因此，可以用以下公式来表示理想与实际电压序列之间的INL误差：

${\mathrm{INL}}_{Thermo}=\frac{V_{ref}}{T_{tot}}{\mathrm{\Σ}}_{j=0}^{Thermo-1}{\mathrm{\τ}}_j$

其中INL_Thermo表示DAC变换器的第Thermo电平的误差。

这样的INL_Thermo取决于温度计码误差的数量级并且对于最小和最大电压极限V_min＝0和V_max＝V_ref＝V₆₄而言固有地等于零(因为在这种情况下假定比特的数目为6)。

INL_Thermo值受到温度计元件的缺陷的测量的影响。特别地，证明专利申请MI2014A000720(其意在被集成在本公开内容中)中公开的校准过程能够以最差测量温度计元件的DNL误差的一半的准确度来近似理想的特性INL。

当然，如果没有以极限准确度来做出温度计元件的测量，则INL_Thermo值无效。

另外的问题是用于开关温度计元件的开关所占用的面积。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种SAR-A/D变换器。

本公开提供了一种SAR-A/D变换器，包括N_bit比特数模变换器(DAC)，所述数模变换器(DAC)包括具有多个N_Th温度计元件T_j的第一子变换器(C_MSB)以及具有多个二进制加权的元件的第二子变换器(C_LSB)，所述SAR-A/D变换器的特征在于，所述SAR-A/D变换器包括：被配置成选择所述多个N_Th温度计元件T_j的第一组的第一选择器装置、以及被配置成选择所述多个N_Th温度计元件T_j的第二组的第二选择器装置，所述第一选择器装置包括每个与所述第一组中的相应的温度计元件T_j信号通信的多个选择器开关，并且所述第二选择器装置包括与所述第二组中的温度计元件T_j信号通信的单个选择器开关。

根据一个实施例，所述第一组所包含的温度计元件T_j的数目大于所述第二组中所包含的温度计元件T_j的数目。

根据一个实施例，所述第一子变换器(C_MSB)的所述温度计元件的数目是2^ΛN_bitTh，并且所述第二子变换器(C_LSB)的所述二进制加权的元件的数目是N_BitBin。

附图说明

本公开内容的特性和优点根据在附图的集合中被图示为非限制性示例的可能的实际实施例的以下详细描述将变得很清楚，在附图中：

图1示出现有技术的SARA/D变换器的框图；

图2示出现有技术的SARA/D变换器的元件的组成的图形表示；

图3是校准本实用新型的SARA/D变换器的方法的流程图；

图4、5和6示出当确定性方法用于解决如图3所示的方法时的仿真结果；以及

图7示出作为本实用新型的SARA/D变换器的电容器的温度计元件和二进制加权的元件的接线电路的框图。

具体实施方式

即使没有清楚地指出，参考特定实施例描述的各个特征应当意在作为参考其它示例性实施例描述的其它特征的辅助和/或与其可交换。

下文中为了简洁将使用相同的数值来指代关于现有技术描述的部分。

鉴于最小化INL_Thermo值而不使用专用或附加硬件，温度计元件T_j的致动序列的冗余是SARA/D变换器的高效自校准的关键因素。

特别地，所有的致动序列相同(因为所有元件必须相同，即当N_BitBin比特等于6时的64LSB)，但是它们实际上稍有不同，从而元件的致动序列的任何变化涉及ADC的输出码的变化。

如以上所提及的，可以用下面的公式来表示理想与实际电压序列之间的误差：

${\mathrm{INL}}_{Thermo}=\frac{V_{ref}}{T_{tot}}{\mathrm{\Σ}}_{j=0}^{Thermo-1}{\mathrm{\τ}}_j$

为了最小化这样的INL_Thermo值，提供了用于SAR-A/D变换器的校准的方法。

特别地，还参考图3，SAR-A/D变换器包括用以生成N_bit比特输出码OUTPUT9的N_bit比特数模变换器DAC。

一方面，数模变换器DAC包括多个温度计元件T_j(框1)和多个二进制加权的元件(框2)。

应当注意，在本校准方法的定义中，假定物理元件的二进制部分是完美的，即无误差并且通过可用的硬件技术以最优方式设计。

这样的二进制部分可能借助于求平均方法而用于温度计元件T_j的误差E_j的高精度测量。

特别地，可以使用具有若干比特的第一子变换器C_LSB来测量相对差异E_j，因为所测量的差异在理想地应当已经相同但实际上相似而非一致的数目之间。

出于这一目的，将温度计元件T_j的第一子集设计成要根据变换器的多个物理元件来获得(框3)，这样的第一子集定义输出码OUTPUT的MSB比特，并且二进制加权的元件N_bin的第二子集也被设计成被获得(框4)，这样的第二子集N_bin定义输出码OUTPUT的LSB比特。

一方面，由其电平的数目m_i等于2^NBitTh个的温度计标度(scale)S_Th来定义输出码OUTPUT，2^NBitTh等于N_Th。

有利地，上述方法包括步骤5：测量每个温度计元件T_j的误差值，其使用技术人员已知并且本文中未描述的方法来执行。

一旦测量到每个温度计元件的误差值，在上述方法的一方面，提供用于确定这些测量的值的平均值μ的步骤(框6)。

当平均值μ已知时，在上述方法的一方面，在框7，将多个(N_Th个)温度计元件T_j分为第一子集X和第二子集Y，每个子集包含相同数目的值x、y。

特别地，子集X和Y中的元件x、y的数目是温度计元件T_j的数目的一半。比如使用软件算法来做出这一划分。

这是可能的，因为下面的公式通过定义总是真的，而不管所测量的温度计元件值：

$\underset{all}{\Σ}{\mathrm{DNL}}_j=0$

作为这一等式的结果，当将温度计元件T_j分为以上两个子集X和Y时，则：

$\underset{X}{\Σ}{\mathrm{DNL}}_j+\underset{Y}{\Σ}{\mathrm{DNL}}_j=0$

即：

$\underset{X}{\Σ}{\mathrm{DNL}}_j=-\underset{Y}{\Σ}{\mathrm{DNL}}_j$

这表示子集X中的温度计元件x之和(即子集X的INL)等于子集Y中的温度计元件y之和(即子集Y的INL)的相反数，而不管划分的类型。

假定以上内容，则第一子集X包括其值更接近所述平均值μ的温度计元件T_j，只要第一子集X中的温度计元件T_j之和的误差不比距离平均值μ最远的元件的误差值更大。第二子集Y包括所有剩余的温度计元件T_j。

比如通过软件算法来执行相应的s个值到子集X或者子集Y的分配。

本实用新型的方法包括：在步骤8，基于以下假定来生成温度计标度S_Th：

所述温度计标度S_Th的每个电平m_i是所述第一有序子集X中的每个值x的增量和，其中i在0到N_Th/2的范围内；以及

所述温度计标度S_Th的每个另外的电平m_i是所述第二子集Y中的所有值y之和加上按照任何顺序的子集X中的元件x的增量和，其中i在N_Th/2+1到N_Th的范围内。

上述方法还包括：在框9，根据这样的温度计标度S_Th生成输出码OUTPUT。

在上述方法的优选方面，第一子集X被排序使得能够减小和最小化第R温度计电平的积分非线性误差INL的最大误差值INL_R。

优选地，在本方法中，温度计标度S_Th的每个另外的电平m_i等于第二子集Y中的所有值y之和加上相反顺序的子集X中的元件x的增量和，其中i在N_Th/2+1到N_Th的范围内。

换言之，还参考以下公式(1)到公式(2)，其示出本公开内容的方法的数值实例(其以图形和数值形式示出图3的方法的示例)，应当注意，标度S_Th的电平m₅到m₈被构造为所述第二子集Y中的所有值y之和加上相反顺序的子集X中的元件x的增量和。

也就是，假定：

温度计比特的数目N_BitTh等于3，则温度计元件T_j的数目N_th等于8(2³等于8)，使得温度计标度S_Th的电平m_i的数目也等于8，

二进制比特的数目N_BitBin等于3，则二进制元件的数目N_Bin等于3，使得二进制标度S_Bin的电平的数目也等于8，

则，由具有等于8的电平m_i的数目的温度计标度S_Th以及由具有等于8的电平的数目的二进制标度S_Bin来定义输出码OUTPUT。

如果正是这种情况，假定温度计标度S_Th的N_th＝8个温度计元件T_j的测量值等于比如T₁＝0.7，T₂＝0.9，T₃＝1.2，T₄＝1.1，T₅＝1.3，T₆＝0.8，T₇＝0.9以及T₈＝1.4，则计算平均值μ的步骤提供值1.0375，尽管理想值应当是1.0。

一旦平均值μ已知，在以上提及的划分步骤之后子集X包括等于4(即N_th＝8个温度计元件T_j的一半)的数目s个值，这样的值是更接近平均值μ的值，而也包括等于4(即N_th＝8个温度计元件T_j的一半)的数目s个值的子集Y用距离平均值μ更远的值来填充。

换言之，子集X包括4个元件：x₁、x₂、x₃、x₄，并且子集Y也包括4个元件：y₁、y₂、y₃、y₄，每个标识其自己的值T_j。

应当注意，单独地使用子集X的值x_1,…,4，而作为组(即作为等于4个值y_1,…,4之和的单个值)来使用子集Y的值y_1,…,4。

一旦已经定义两个子集X和Y，则可以生成新的温度计标度S_Th，使得温度计标度S_Th的从m₁到m₄的每个电平与第一子集X的可用值x_1,…,4的增量和相关联。

特别地，第一子集X的每个值x的增量和等于其中k在0到N_Th/2的范围内，x_j表示这样的第一子集X中所存储的每个值。

因此，术语“值x_1,…,4的增量和”意在表示以下内容：

S_TH＝0的位置m₀；

S_TH＝值x₁的位置m₁；

S_TH＝值x₁+值x₂的位置m₂；

S_TH＝值x₁+值x₂+值x₃的位置m₃；

S_TH＝值x₁+值x₂+值x₃+值x₄的位置m₄；

换言之：

对于温度计标度S_Th的第一电平m₁，存在子集X中的单个值，特别是第一位置x₁中所存储的值，

对于温度计标度S_Th的第二电平m₂，存在子集X中的第一位置x₁与第二位置x₂中所存储的值之和，以及

对于温度计标度S_Th的第三电平m₃，存在子集X中的第一位置x₁、第二位置x₂与第三位置x₃中所存储的值之和。

温度计标度S_Th的从m₅到m₈的每个另外的电平与第二子集Y的所有值y_1,…,4之和加上相反顺序的子集X中的元件x的增量和相关联。

也就是：

温度计标度S_Th的电平m₅等于第二子集Y的所有值y_1,…,4之和加上第一子集X中的电平x₄的值，

温度计标度S_Th的电平m₆等于第二子集Y的所有值y_1,…,4之和加上第一子集X中的电平x₄和x₃的值，

温度计标度S_Th的电平m₇等于第二子集Y的所有值y_1,…,4之和加上第一子集X中的电平x₄、x₃和x₂的值，以及

温度计标度S_Th的电平m₈等于第二子集Y的所有值y_1,…,4之和加上第一子集X中的电平x₄、x₃、x₂和x₁的值。

根据本方法的优选实施例，如果第一子集X中的元件x的误差之和大于各个元件x的最高误差，则提供将所述第二子集Y中的至少一个值y与所述第一子集X中的适当的元件x交换的步骤，如果所得到的元件之和小于通过所述交换得到的新的子集X中的元件中的最差的一个。

例如，假定向每个温度计元件T_j的误差值的测量提供以下值0.97、0.93、0.85、0.98、1.1、1.2、1.02、1.05并且平均值(即理想元件)为1.0125，则每个元件的DNL是-0.0420、-0.0815、-0.1605、-0.0321、0.0864、0.1852、0.0074和0.0370。

通过排序获得有序DNL，即-0.1605、-0.0815、-0.0420、-0.0321、0.0074、0.0370、0.0864和0.1852。

GOOD元件(即其值更接近平均值μ的那些元件)的选择给出具有值-0.0420、-0.0321、0.0074和0.0370的元件，而BAD元件(即其值距离平均值μ更远的那些元件)的选择给出具有值-0.1605、-0.0815、0.0864和0.1852的元件。

GOOD元件之和为-0.0296，而BAD元件之和为0.0296。

因此，在此，半标度处的DNL为-0.0593，其比GOOD元件的所有DNL都差。

因此，需要GOOD元件的替选选择，其中将一个GOOD元件与BAD元件(例如第三BAD元件代替第四GOOD元件被选择)交换，即：

-0.0420-0.03210.00740.0864

同样的规则适用于BAD元件的选择，

-001605-0.08150.18520.0370

发现等于0.0395的半标度处的INL比新的GOOD元件的任何DNL更好。

这一交换提供优点，诸如使得所谓的GOOD元件之和尽可能地接近所谓的BAD元件之和，而没有引起GOOD(或者BAD)元件包括距离平均值太远的元件。实际上，由于两个和可能彼此相反，所以理想的是(虽然实际上不可实现)两个和都应当为零(即在半标度处的INL特性应当是完美的)。

在本公开内容的一方面，第一子集X被排序使得第R温度计电平的积分非线性误差(INL)的最大误差值ε_R可以被最小化。

为了最小化积分非线性误差值(ε_RINL)，一方面，如MI2014A000720(其意在被包括在本公开内容中)中所公开的，上述方法包括：

使用以下公式来确定误差值ε_R(框5)：

${\mathrm{INL}}_R=\underset{j=0}{\overset{R-1}{\Σ}}{E}_j-\frac{R}{N_{Th}}\underset{j=0}{\overset{N_{Th}-1}{\Σ}}{E}_j$

其中E_j表示多个温度计元件T_j与所述多个温度计元件T_j中选择的参考温度计元件T_ref之间的相对失配差，R在0到N_Th的范围内并且表示可用温度计元件的数目。

一方面，可以使用以下公式来测量相对失配差E_j：

$E_j=\frac{T_j-T_{ref}}{T_{tot}},T_{tot}=\underset{k=0}{\overset{N_{Th}-1}{\Σ}}{T}_k,T_{ref}\∈\{T_0...T_{N_{Th}-1}\}$

其中N_Th表示温度计元件的数目2^N _BitTh；并且

Ttot是所述多个温度计元件T_j的总值，能够使用以下公式来计算总值T_tot：

$T_{tot}=\underset{k=0}{\overset{N_{Th}-1}{\Σ}}{T}_k=N_{Th}\frac{T_{ref}}{1-\underset{j=0}{\overset{j=N_{Th}-1}{\Σ}}{E}_j}$

可以在以下公式(3)到公式(8)中找到以上公式的数学证明，公式(3)到公式(8)示出定义误差值INL_R的最重要的步骤(其中示出检查校准方法的正确性所需要的数学计算)。

$E_j=\frac{T_j-T_{ref}}{E_{tot}}\⇒T_i=T_{ref}+T_{tot}{E}_j---\left(3\right)$

$\underset{all}{\Σ}{E}_j=T_{tot}=N_{th}{T}_{ref}+T_{tot}\underset{all}{\Σ}{E}_j\⇒T_{tot}=\frac{N_{th}{T}_{ref}}{1-\underset{all}{\Σ}{E}_j}\⇒\frac{T_{ref}}{T_{tot}}=\frac{1-\underset{all}{\Σ}{E}_j}{N_{th}}---\left(4\right)$

${\mathrm{INL}}_R=\frac{\underset{j=0}{\overset{R-1}{\Σ}}{T}_j}{T_{tot}}-\frac{R}{N_{th}}=\frac{\underset{j=0}{\overset{R-1}{\Σ}}{T}_j(T_{ref}+T_{tot}{E}_j)}{T_{tot}}-\frac{R}{N_{th}}=\frac{{\mathrm{RT}}_{ref}+T_{tot}\underset{j=0}{\overset{R-1}{\Σ}}{E}_j}{T_{tot}}-\frac{R}{N_{th}}=R\frac{T_{ref}}{T_{tot}}+\underset{j=0}{\overset{R-1}{\Σ}}{E}_j-\frac{R}{N_{th}}---\left(5\right)$

${\mathrm{INL}}_R=R\frac{1-\underset{all}{\Σ}{E}_j}{N_{th}}+\underset{j=1}{\overset{R-1}{\Σ}}{E}_j-\frac{R}{N_{th}}=\underset{j=1}{\overset{R-1}{\Σ}}{E}_j-R\frac{\underset{all}{\Σ}{E}_j}{N_{th}}---\left(6\right)$

$T_{ideal}=\frac{T_{tot}}{N_{th}}=\frac{T_{ref}}{1-\underset{all}{\Σ}{E}_j}---\left(7\right)$

${\mathrm{DNL}}_k=\frac{T_k-T_{ideal}}{N_{th}{T}_{ideal}}=\frac{T_{ref}+T_{tot}Ek-\frac{T_{ref}}{1-\underset{all}{\Σ}{E}_j}}{\frac{N_{th}{T}_{ref}}{1-\underset{all}{\Σ}{E}_j}}=\frac{1+\frac{T}{T_{ref}}{E}_k-\frac{1}{1-\underset{all}{\Σ}{E}_j}}{\frac{N_{th}}{1-\underset{all}{\Σ}{E}_j}}=\frac{1+\frac{N_{th}}{1-\underset{all}{\Σ}{E}_j}{E}_k-\frac{1}{1-\underset{all}{\Σ}{E}_j}}{\frac{N_{th}}{1-\underset{all}{\Σ}{E}_j}}=E_k-\frac{\underset{all}{\Σ}{E}_j}{N_{th}}$

特别地，公式(3)到公式(8)示出用于误差值INL_R的公式(即第R温度计电平的积分非线性误差(INL))可以取决于E_j，即取决于多个温度计元件T_j与选自数模变换器(DAC)的多个温度计元件T_j的参考温度计元件T_ref之间的相对差，如用以下公式测量的：

$E_j=\frac{T_j-T_{ref}}{T_{tot}}$

可以使用以下公式来确定(框5)差分非线性值(DNL)：

${\mathrm{DNL}}_k=E_k-\frac{1}{N_{Th}}\underset{j=0}{\overset{N_{Th}-1}{\Σ}}{E}_j$

一方面，还可能可以通过使用求平均方法来测量温度计元件T_j的误差E_j。

一方面，为了测量温度计元件T_j的失配E_j，如果这些温度计元件T_j被实现为电容器C(参见图7)，则可以有使用以下公式检查所述比较器(Comp)的所述输入端子上的输入电压(V_INC)的步骤：

$\mathrm{\Δ}V=\frac{C_{thX}-C_{thref}}{\mathrm{\Σ}C}*(VrefP-VrefN)$

其中ΣC表示所述温度计元件之和，C_thref是参考温度计元件，C_thX是被测量的温度计元件，V_refP是在采样期间在所述参考温度计元件上以及在所述检查步骤期间在所述被测量的温度计元件上求得的第一参考电压，V_refN是在采样期间在所述被测量的温度计元件上以及在所述检查步骤期间在所述参考元件上、以及遍及所述变换在所有其它温度计元件上求得的第二参考电压，ΔV是所述误差E_j的测量值。

可以通过确定温度计元件T_j的适当的致动排列P来最小化以上识别的误差INL_R用于更准确的校准。

出于这一目的，最小化或减小第R温度计电平的所述积分非线性INL误差值INL_R的最大值的以上提及的方法步骤包括：

针对每个电平R识别所述误差值INL_R的最大值；

针对之前定义的数目P个排列重新计算积分非线性误差值INL_R；以及

从所述数目P个排列中选择减小或使得所述误差值INL_R最小化的排列。

然而，虽然这一最小化步骤有效，然而仍然存在要通过方法来处理的过量高数目的排列，即理论上对应于温度计的数目的阶乘，例如6比特温度计码变换器的情况下的64。

因此，必须在不处理64个排列以致动温度计元件的情况下来使最大绝对误差INL_R最小化。

这可以例如使用元启发式(metaheuristic)算法来进行，诸如模拟退火算法、禁忌(tabu)搜索算法或者遗传算法，但是另外，优选地使用确定性(deterministic)方法来进行以上操作。

鉴于使用确定性方法，应当注意，对于“完美的”DAC变换器，每个温度计元件T_j必须具有“完美的”值，即T_ideal。

如果情况不是这样(即如果变换器不是完美的)，则每次添加温度计元件T_Thermo时，INL误差都应当改变τ_Thermo。

实际上，每个温度计元件受到被定义为DNL_Thermo的误差的影响，如公式(3)到公式(8)所示，DNL_Thermo表示差分非线性，即理想的模数变换步骤与实际模数变换步骤之间的差异。

鉴于以上描述，假定以其平均值为中心的温度计元件T_j的高斯布置(其中平均值根据定义为T_ideal)，这表示很多温度计元件T_j应当接近平均值，以具有小的DNL误差，并且其中INL特性误差的开始和结束点为零，则可以“构造(construct)”非常接近最佳序列的温度计码序列。

出于这一目的，具有最大DNL误差的元件必须被识别并且以理想INL特性为中心，或者以等同的方式，其DNL_worst必须以零为中心。

特别地，在优选方面，上述方法使用具有最小DNL误差的温度计设置中的元件提供最差温度计元件的DNL误差(具有相反符号)的1/2的足够准确的逼近(从0或者标度终点值)。

应当注意，在构造INL特性时，不应当超过±1/2DNL_worst的INL误差。

一旦最差温度计元件被确定并且关于积分非线性INL特性集中，通过重复上述过程但是不从0(或者标度终点值)开始而是从由上一所确定的元件(最差元件)限定的位置开始来确定第二最差元件。这将提供用于该特定DAC的最佳可能的INL性能。

特别地，应当针对每个温度计元件T_j计算差分非线性DNL误差值DNL_j，并且应当选择具有最高差分非线性DNL误差值DNL_j'的温度计元件T_j'。

一旦确定具有最高误差值DNL_j的温度计元件T_j'，这样的误差值DNL_j'关于变换器的理想变换特性集中。

一旦定位这样的值DNL_j'，并且为了达到用理想特性表示的值，对所述多个温度计元件的最小差分非线性DNL误差值DNL_j求和，直到接近所述温度计元件T_j'的值的一半。

因此，重复从所述多个温度计元件T_j中的剩余温度计元件中选择具有最高差分非线性DNL误差值的温度计元件。

通过从由上一确定元件定义的位置开始重复从剩余温度计元件T_j中选择具有最高差分非线性DNL误差值DNL_j的元件并且将其误差值DNL_j关于所述理想特性集中来将这些步骤迭代与剩下的温度计元件的数目同样多次。

通过以上描述的方法，通过下式给出DAC的第k电平的值：

$L_K=\frac{\underset{j=0}{\overset{j=K-1}{\Σ}}{T}_j}{T_{Tot}}$

这是有利的，因为使用更接近平均值μ的温度计元件(即子集X中的元件)作为分子而使用距离平均值更远的温度计元件作为分母来生成输出码OUTPUT。

以上方法有利地提供用于SAR-A/D变换器的自校准的过程，其不需要使用外部硬件或者其它电路实现(即在作为变换器本身的一部分的元件上)，但是使用多个温度计元件本身，并且特别地，利用用于温度计元件T_j的误差E_j的高准确度测量的二进制部分。

应当特别注意，变换器的二进制部分具有小的动态范围，但是由于二进制元件的硬件实现而本质上是准确的。

现在参考图4、图5和图6，示出了使用以上描述的方法的仿真的结果。

特别地，图4示出1024个设备上的校准的效果，而图5示出在校准方法之前(自然)和之后(已校准)最大INL误差的分布，并且最终图6示出单个变换器设备上的校准的效果。

现在参考图7，其示出作为电容器的温度计元件和二进制加权的元件的电路的框图，应当注意，执行以上描述的方法所需要的转移矩阵(conversionmatrix)包括包含多个温度计元件的第一子变换器C_MSB和包含多个二进制加权的元件的第二子变换器C_LSB。

有利地，根据本公开内容，第一子变换器C_MSB的温度计元件的数目为2^N _BitTh，第二子变换器C_LSB的二进制加权的元件的数目为N_BitBin。

换言之，为了实现以上方法，第一子变换器C_MSB将包括等于2^ΛN_bitTh的数目的温度计元件，而在现有技术中，其可以是(2^ΛN_bitTh)-1。

因此，如果有6个温度计码比特，则现有技术中应当使用的温度计元件的数目等于63个物理元件，而在本实用新型中，其等于64个物理元件。

两个子变换器C_MSB和C_LSB通过适当的耦合电路Cblock耦合。

耦合电路Cblock包括例如单个接线或者与衰减器电容器(attenuatorcapacitor)相关联的电桥，虽然还可以想象更复杂的实现，并且需要提供由电容器C_MSB和C_LSB组成的两个子变换器生成的电压之间的合适的标度关系。

特别地，子变换器C_MSB包括与温度计元件的数目(在这种情况下为64)一样多的电容器，而子变换器C_LSB包括二进制元件的数目(在这种情况下为6)一样多的电容器。

为了最小化开关面积(switcharea)，将变换器设计成包括被配置成选择所述多个温度计元件T_j的第一组G1的第一选择器S1以及被配置成选择所述多个(N_Th个)温度计元件T_j的第二组G2的第二选择器S2。

第一选择器S1包括多个选择器开关IG1_j，每个与第一组G1中的相应的温度计元件T_j信号通信，这表示可以通过相应的开关将每个温度计元件控制为电压VrefN和VrefP，其中VrefP是正的参考(通常为VDD)，VrefN是负的参考(通常为接地或者GND)。

第二选择器S2包括与第二组G2中的温度计元件T_j信号通信以同时控制全部温度计元件或者作为单个块的单个选择器开关IG2。因此，可以通过开关IG2将温度计元件的这一第二组G2控制为电压VrefN和VrfP，其中VrefP是正的参考(通常为VDD)，VrefN是负的参考(通常为接地或者GND)。

优选地，组G1包括大于总的温度计元件的一半的数目的温度计元件，而第二组G2包括剩余的温度计元件。

例如，假定64个温度计元件(并且因此用于温度计码部分的6比特的DAC)，则组G1包括40个温度计元件(40大于64/2)，并且组G2包括24个元件(因为64减去40等于24)。

特别地，单独控制组G1中的40个温度计元件，而一起或者作为单个块来控制组G2中的24个温度计元件，由此消除了23个开关并且减小的开关面积。

假定以上内容，则将识别温度计元件的新的集合G3，其包括组G2和组G1的子集G1'的组合，其由存储器中所存储的程序来标识。

例如，子集G1'应当包括8个温度计元件(G1'＝8)，在本示例中为32。

通常，子集G1'等于数目Nth/2减去组G2中的元件的数目。

组G1中的剩余单位元件G1”(即G1中的温度计元件减去子集G1'中的温度计元件)将表示子集X。

使用以上数目，表示子集X的剩余温度计元件G1”是32(即Nth/2)。已经根据以下规则选择被包括在子集G3(G2+G1')中的子集G1'中的单位温度计元件：

去除集合G1中的最差温度计元件，即其值距离平均值最远的温度计元件；以及

使集合G1”与集合G3之间的差最小化。

通过以下方式来测量集合G2的值：

测量所有的单位元件；以及

关于单位元件的任意集合测量集合G2的值，所述单位元件的集合具有与G2相同的标称总尺寸和已知误差。这一测量值可以用于容易地通过与元件的已知集合相比较来评定大的元件G2的值。

很清楚，本领域技术人员将理解，在没有偏离如以下权利要求中限定的本实用新型的范围的情况下，可以对以上描述的SAR-A/D变换器的自校准方法做出若干变化和变型以满足特定要求。

Claims (3)

1.一种SAR-A/D变换器，其特征在于，包括N_bit比特数模变换器(DAC)，所述数模变换器(DAC)包括具有多个N_Th温度计元件T_j的第一子变换器(C_MSB)以及具有多个二进制加权的元件的第二子变换器(C_LSB)，所述SAR-A/D变换器的特征在于，所述SAR-A/D变换器包括：被配置成选择所述多个N_Th温度计元件T_j的第一组的第一选择器装置、以及被配置成选择所述多个N_Th温度计元件T_j的第二组的第二选择器装置，所述第一选择器装置包括每个与所述第一组中的相应的温度计元件T_j信号通信的多个选择器开关，并且所述第二选择器装置包括与所述第二组中的温度计元件T_j信号通信的单个选择器开关。

2.根据权利要求1所述的SAR-A/D变换器，其特征在于，所述第一组所包含的温度计元件T_j的数目大于所述第二组中所包含的温度计元件T_j的数目。

3.根据权利要求1所述的SAR-A/D变换器，其特征在于，所述第一子变换器(C_MSB)的所述温度计元件的数目是2^ΛN_bitTh，并且所述第二子变换器(C_LSB)的所述二进制加权的元件的数目是N_BitBin。