CN105577190B - 适用于模数转换器的电容线性度自动校正方法 - Google Patents

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Abstract

适用于模数转换器的电容线性度自动校正方法，涉及模拟集成电路领域。本发明包括下述步骤：1)转换误差校正；2)采样误差校正；3)获得最终数据。本发明的有益效果为，本发明的电容线性度自动校正算法，在不降低电容匹配误差的情况下，抑制了电容线性度对转换结果的影响，大幅提高了电容的匹配精度。

Description

适用于模数转换器的电容线性度自动校正方法
技术领域
本发明涉及模拟集成电路领域。
背景技术
电荷重分配阵列是模数转换电路中一个重要的组成部分，通常用在模数转换电路的内部实现采样和数模转换。为了提高精度，对模数转换器内部的电荷重分配电路提出了更高的要求。由于电荷重分配阵列采用的是电容阵列的结构，因此电荷重分配阵列的匹配特性很大程度上取决于电容的匹配精度。
电容的匹配性是由电容的长、宽及所选电容匹配特性决定。
电容具有二阶特性，如图1所示，电容上的偏置电压不同会使容值发生变化，根据工艺提供的不同电容值，电容的线性度变化可以从几十PPM变化到几百PPM。对于16位模数转换器来说1LSB相当于15ppm。对于18位模数转换器来说1LSB要小于4ppm。在此种应用中电容的线性度对转换的结果产生了很大的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提出一种能够对电容线性度进行自动校正的方法。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，适用于模数转换器的电容线性度自动校正方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)转换误差校正；
2)采样误差校正；
3)获得最终数据。
所述步骤1)包括：
1.1测试单位电容的线性度系数，然后对测试结果进行分段，得到分段系数表，分段的数量为预设；
1.2依据对输入信号进行模数转换的结构，推算出电容阵列内部连接VREFH的等效电容数量和连接VREFL的等效电容数量；
1.3Vx为电容阵列采样时接的固定电位。依据分段系数表，确定VREFH-Vx对应的线性度系数δVREFH-Vx，以及VREFL-Vx对应的线性度系数δVREFL-Vx，以及输入电压VIN对应的线性度系数δVIN-Vx；
1.4由计算校正数据DCAL；
1.5依据C[K]＝D[K]+DCALD[K]计算经转换误差校正后的数据C[K]；
所述步骤2)为：
依据进行采样误差校正；
所述步骤3)为：
以B[K]作为校正完成的最终数据。
所述VREFH为参考高电平，VREFL为参考低电平。
本发明的有益效果为，本发明的电容线性度自动校正算法，在不降低电容匹配误差的情况下，抑制了电容线性度对转换结果的影响，大幅提高了电容的匹配精度。
附图说明
图1为电容线性度的二阶效应示意图。
图2为电容线性度的二阶效应16分段示意图。
图3为电容线性度校正算法结构图。
图4为实施例中12位模数转换器的电容阵列结构示意图。
具体实施方式
参见图1～4。
电容型模数转换器采用电荷重分配阵列作为片内DAC进行比较产生转换结果，该转换结果的精度很大程度上取决于电荷重分配阵列的匹配精度。
电荷重分配阵列的精度取决内部选用的电容块的匹配精度。电容的匹配特性除了受本身的特性影响还受电容的长宽的影响。即电容的长宽比越大，电容的匹配特性越好。电容的匹配特性还受电容的线性度影响，通常电容上所加的偏置电压为基准电压、输入电压和地电平，当连接这三个电压时，由于电容线性度的影响，导致实际的电容阵列值在这三个偏置电压时都不相同，影响了电容的实际匹配特性。
电容线性度校正算法读取模数转换器的数据，并根据转换的数据判断输入电压的粗略大小，然后根据输入电压的大小得出由输入电压引起的电容线性度误差，最后再把这部分误差消除。
根据转换的实际情况，由电容线性度引入的误差主要存在于以下几个方面。
采样阶段，由于输入电压不一样导致采样时加在电容两端的电压值随输入电压而发生变化，由电容线性度的影响，这会导致采样电容值随输入电压而发生变化，由于Q＝CU，采样电容和采样电压都随输入电压发生变化则会引入一个显著的二阶效应。
转换阶段，电容一端接基准电压高或基准电压低，另一端按电荷重分配模数转换器的特性可近似等于电容采样时的固定电位Vx。Vx的值按照整体模数转换器电路设计来决定。则电容两端的压差为(VREF-VX)或者0-VX。由电容线性度的影响，电容的匹配特性受到了很大的影响，特别是高权位的电容。
根据测试的结果将电容的线性度曲线进行分段。分段的段数根据转换器的精度进行设定。此处以16段来示例。电容的线性度系数以16段的形式存储下来。实际中可根据使用要求分为1-65536段。
校正分为两部分首先是校正转换过程的电容线性度误差。
转换过程的先读取转换器转换的数据。转换的数据为D[K](其中K为转换器中需要校正的数据位数)，根据转换的数据反推出电容阵列中一端接VREFH的电容个数和一端接VREFL的电容个数CREFH和CREFL。然后根据公式计算出总的误差。其中为VREFH-VX对应电压分段的电容线性度误差校正系数,为VREFL-VX对应电压分段的电容线性度误差校正系数，该系数为相对系数，以电容在某个偏置电压下的电容值为基准。
根据上述公式计算出校正数据Dcal后，再将Dcal与D[K]进行加减运算即可以完成第一步校正，得到校正后的数据C[K]。
C[K]＝D[K]+DCALD[K]
其次是校正输入采样的电容线性度误差。
根据转换器输出数据判断出输入电压处在16段中的哪一个区域，然后选中该段的电容线性度系数。该系数为相对系数，以电容在某个偏置电压下的电容值为基准。δVIN-Vx为输入电压采样时对应的电容线性度分段系数。
通过上述运算得到最终的数据B[K]。
本发明应用于模数转换器电路设计中。
当模数转换器开始工作时，主模数转换器的电荷重分配电容阵列进行采样，此时根据输入信号的不同会引入一个误差，即输入信号不同，由于受电容线性度影响，采样电容的值发生变化，导致采样的绝对精度变低。
当模数转换器进行转换时，接在模数转换器电容两端的偏置电压不同，由于受电容线性度影响，电容的值发生变化，导致转换的绝对精度变低。
电容线性度校正算法根据模数转换器的转换结果，再加上电容线性度系数，通过相关算法能够得出由于电容线性度对转换带来的影响，再对模数转换器的转换结果进行处理，得到校正后的数据，抑制了模数转换器线性度的影响。
以12位AD转换器图4所示的校正为例，首先按图1所示测试单位电容的线性度系数。然后根据设计需要对测试的结果进行分段，示例分为16段。故分段系数为δ1～δ16。对应的单位电容两端的电压范围为-2.5V至+2.5V。即δ1对应于-2.5V至-2.1875V段，后续依次类推，每一分段电压范围为0.3125V。
设置输入电压范围为0-2.5V，则VREFH为2.5V，VREFL为0V。电容采样时VOUT端接的固定电位VX设置为1.25V。
下面以输入为1.25V时来具体分析，当输入信号为1.25V，转换的结果为D[12]为1000_0000_0000，则根据模数转换器的结构可以反推算出内部连接VREFH的等效电容个数为32C，连接VREFL的个数为32C，实际设计中为了简化计算，提高运算速度，不考虑耦合电容CC带来的影响。CREFH设为32C，CREFL简化为32C，CTOTAL为CREFL和CREFH之和。首先校正转换误差，VX的电压为1.25V，VREFH-VX为1.25V，VREFL-VX为-1.25V,根据电容分段系数表可推算出为δ12，为δ5，为δ8。
按照
C[K]＝D[K]+DCALD[K]
公式即可计算出DCAL和后续的C[K]，最后得到校正后的数据B[K]。
本发明提出一种电容线性度自动校正算法，能够有效降低模数转换器的线性误差，所述算法包括线性度分段存储、输入数据、转换线性度校正、采样线性度校正、输出数据。
本发明的电容线性度校正算法应用在模数转换领域，使得转换和采样过程中的电容线性度误差由于校正算法的影响大幅降低。

Claims (1)

1.适用于模数转换器的电容线性度自动校正方法，包括下述步骤：
1)转换误差校正；2)采样误差校正；3)获得最终数据；
其特征在于，所述步骤1)包括：
1.1测试单位电容的线性度系数，然后对测试结果进行分段，得到分段系数表，分段的数量为预设；
1.2依据对输入信号进行模数转换的结构，推算出电容阵列内部连接VREFH的等效电容数量和连接VREFL的等效电容数量；
1.3依据分段系数表，确定VREFH-Vx对应的线性度系数δVREFH-Vx，以及VREFL-Vx对应的线性度系数δVREFL-Vx，以及输入电压VIN对应的线性度系数δVIN-Vx；
1.4由计算校正数据DCAL；
1.5依据C[K]＝D[K]+DCALD[K]计算经转换误差校正后的数据C[K]；
所述步骤2)为：
依据进行采样误差校正；
所述步骤3)为：
以B[K]作为校正完成的最终数据；
所述VREFH为参考高电平，VREFL为参考低电平，VX为电容采样时的固定电位，CREFH为连接VREFH的等效电容个数，CREFL为连接VREFL的等效电容个数，CTOTAL为CREFL和CREFH之和，D[K]为转换的数据，K为转换器中需要校正的数据位数。
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