CN109120268B - 一种动态比较器失调电压校准方法 - Google Patents

一种动态比较器失调电压校准方法 Download PDF

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Abstract

一种动态比较器失调电压校准方法，属于模拟集成电路技术领域。本发明适用于下极板采样形式的逐次逼近模数转换器，通过在逐次逼近模数转换器的数模转换器中设置一个与量化电容阵列相同结构的校准电容阵列实现对比较器失调电压的校准；逐次逼近模数转换器的数模转换器的量化过程包括校准模式和正常工作模式，校准模式时利用逐次逼近模数转换器对0量化得到失调码字，正常工作模式时根据失调码字控制校准电容阵列中电容的切换，得到消除了比较器失调电压的输出量化码字。本发明能够消除逐次逼近模数转换器得到的输出量化码字中的比较器失调电压的相关影响，逻辑简单易于实现，校准精度高且不需要实时刷新。

Description

一种动态比较器失调电压校准方法
技术领域
本发明属于模拟集成电路技术领域，具体涉及一种用于下极板采样逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)的动态比较器失调电压校准方法。
背景技术
随着移动通信、便携式测试仪器、消费电子无线通信等方面的快速发展，要求模数转换器(ADC)的速度越高越好、功耗越低越好。相对于传统的高速高精度流水线(pipeline)ADC，逐次逼近型(SAR)ADC拥有结构简单、面积小、功耗低、成本低等特性，工艺特征尺寸的不断降低以及一些技术的应用(如时间交织、多比特移位等)也使得SAR ADC具有了实现高速转换的可能性。因此SAR ADC在高速低功耗的应用领域有极大的潜力。
SAR ADC中主要模块包括：比较器、数模转换器(DAC)、寄存器单元以及逻辑控制单元等。其中，比较器是SAR ADC的核心电路，决定着ADC的速度、精度和功耗等指标，具有非常重要的作用。理想比较器在输入相等时，有相同概率的高低电平输出；而对于实际比较器，由于工艺失配的原因，存在比较器失调电压Voffset，只有当输入之差等于失调电压Voffset时，输出高低电平的概率才相等。单通道SAR ADC中多采用一个比较器，故比较器失调电压主要引起直流偏移误差，导致ADC的量化范围的减小。而对于采用多个比较器的SARADC而言，比较器失调造成非线性误差，导致ADC的性能下降。比较器失调主要由输入对管的阈值电压和尺寸的不匹配造成，因此可通过增大输入管的尺寸减小，但大的尺寸势必带来大的功耗。
发明内容
针对上述SAR ADC中比较器失调电压导致的SAR ADC量化范围小和性能下降的问题，以及传统消除比较器失调的方法存在的功耗问题，本发明提出了一种适用于采用下极板采样技术的逐次逼近模数转换器SAR ADC动态比较器的失调电压校准方法，逻辑简单易于实现，且校准精度可以达到1个LSB(ADC最小分辨率)。
本发明的技术方案为：
一种动态比较器失调电压校准方法，用于校准逐次逼近模数转换器得到的输出量化码字中的比较器失调电压，所述逐次逼近模数转换器的数模转换器包括量化电容阵列和校准电容阵列，所述校准电容阵列与所述量化电容阵列一致；
所述逐次逼近模数转换器在量化时对比较器失调电压进行校准的步骤如下：
步骤一、将所述校准电容阵列和量化电容阵列中所有电容的上极板连接共模电压，利用所述校准电容阵列和量化电容阵列中所有电容下极板对0采样；
步骤二、将所述量化电容阵列中所有电容下极板连接共模电压，将所述校准电容阵列中所有电容下极板与其上级版连接，将所述量化电容阵列和校准电容阵列中所有电容的上极板与共模电压断开连接，比较器开始比较并根据比较结果切换所述量化电容阵列中每个电容的下极板所接电位，直到切换完所述量化电容阵列的最低位电容后得到所述逐次逼近模数转换器的失调码字；
步骤三、将所述量化电容阵列的所有电容下极板连接输入电压，将所述校准电容阵列中所有电容下极板根据步骤二得到的所述失调码字的反相信号进行对应切换，将所述量化电容阵列和校准电容阵列中所有电容的上极板连接共模电压；
步骤四、将所述量化电容阵列中所有电容的下极板连接共模电压，将校准电容阵列中所有电容的下极板连与上极板连接，将所述量化电容阵列和校准电容阵列中所有电容的上极板与共模电压断开连接，比较器开始比较并根据比较结果切换所述量化电容阵列中每个电容的下极板所接电位，直到切换完所述量化电容阵列的最低位电容后得到所述逐次逼近模数转换器的输出量化码字，所述输出量化码字为消除了比较器失调电压的结果。
具体的，所述逐次逼近模数转换器为数模转换器单端采样，比较器的一个输入端连接所述量化电容阵列和校准电容阵列，比较器的另一个输入端连接正向基准电压，在步骤一对0采样时，所述校准电容阵列和量化电容阵列中所有电容下极板连接地电压。
具体的，所述逐次逼近模数转换器为数模转换器双端采样，比较器的每个输入端均连接所述量化电容阵列和校准电容阵列，在步骤一对0采样时，所述校准电容阵列和量化电容阵列中所有电容下极板连接共模电压。
本发明有益效果为：本发明能够消除逐次逼近模数转换器得到的输出量化码字中的比较器失调电压的相关影响，逻辑简单易于实现，校准精度高且不需要实时刷新。
附图说明
图1为实施例中适用于本发明提出的一种动态比较器失调电压校准方法的逐次逼近模数转换器中DAC和比较器的结构示意图。
图2为本发明提出的一种动态比较器失调电压校准方法在实施例中校准模式下DAC电容极板电位变化示意图，其中图2(a)为对0采样阶段，图2(b)为采样结束比较器进行比较前，图2(c)为比较器比较结束后。
图3为本发明提出的一种动态比较器失调电压校准方法在实施例中正常工作模式下DAC电容极板电位变化示意图，其中图3(a)为对输入电压采样阶段，图3(b)为采样结束比较器进行比较前，图3(c)为比较器比较结束后。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明进行详细的描述：
本发明适用于下极板采样形式的逐次逼近模数转换器，通过在逐次逼近模数转换器的数模转换器中设置一个与量化电容阵列CDAC相同结构的校准电容阵列cCDAC实现对比较器失调电压的校准，如图1所示是逐次逼近模数转换器的数模转换器的一种电路结构，量化电容阵列CDAC中电容的上极板连接比较器的其中一个输入端，下极板通过开关连接基准电压、共模电压、输入电压或地电压；校准电容阵列cCDAC与量化电容阵列CDAC中电容的个数和电容值对应相同，同样的，校准电容阵列cCDAC中电容的上极板连接比较器的其中一个输入端，下极板通过开关连接基准电压、共模电压、输入电压或地电压；校准电容阵列cCDAC与量化电容阵列CDAC的上极板通过一个开关与共模电压Vcm相连，且校准电容阵列cCDAC所有电容的下极板可以通过一个开关与上极板连接。
本发明适用于逐次逼近模数转换器中以数模转换器单端采样和双端采样，下面以数模转换器双端采样为例详细说明本发明的工作过程。
适用于本发明的SAR ADC在量化时有两种工作模式：校准模式和正常工作模式，每种模式分别有采样阶段和比较阶段，以下以一个四位差分SAR ADC为例，按照阶段依次进行详细描述。
图2(a)为校准模式的采样阶段：量化电容阵列CDAC所有电容的下极板接共模电压Vcm，校准电容阵列cCDAC所有电容的下极板接共模电压Vcm，量化电容阵列CDAC和校准电容阵列cCDAC所有电容的上极板接共模电压Vcm。
图2(b)-(c)为校准模式的比较阶段：比较开始前，量化电容阵列CDAC所有电容的下极板接共模电压Vcm，校准电容阵列cCDAC所有电容的下极板与校准电容阵列cCDAC所有电容的上极板相接，量化电容阵列CDAC和校准电容阵列cCDAC所有电容的上极板与共模电压Vcm断开连接；随后比较器开始比较并根据比较结果判定量化电容阵列CDAC每位电容下极板所接电位为正向基准电压VREFP或负向基准电压VREFN，直至最低位比较完成切换完量化电容阵列CDAC中的最低位电容，得到SAR ADC的输出码字即为失调码字Doffset。在校准模式的比较阶段过程中，校准电容阵列cCDAC下极板始终与上极板相接。
图3(a)正常工作模式的采样阶段：量化电容阵列CDAC所有电容的下极板接输入信号Vinn或Vinp，校准电容阵列cCDAC各个电容的下极板根据失调码字Doffset的反相信号进行对应切换，量化电容阵列CDAC和校准电容阵列cCDAC所有电容的上极板接共模电压Vcm。
图3(b)-(c)正常工作模式的比较阶段：量化电容阵列CDAC所有电容的下极板接共模电压Vcm，校准电容阵列cCDAC所有电容的下极板与电容的上极板相接，所有电容的上极板与共模电压Vcm断开连接。开始比较，根据比较结果判定量化电容阵列CDAC每位电容下极板所接电位为VREFP或VREFN，直至最低位比较完成切换完量化电容阵列CDAC中的最低位电容，得到ADC的输出量化码字Dout，此输出量化码字Dout即为消除了比较器失调电压后的输出结果。在正常工作模式的比较阶段过程中，校准电容阵列cCDAC下极板始终与上极板相接。
本发明的工作原理为：SAR ADC通过量化电容阵列CDAC下极板采样输入信号，结合比较器完成量化过程，在正常工作对输入电压进行量化之前，本发明先对零输入量化，得到失调电压Voffset对应的失调码字Doffset，其中数模转换器单端采样时，比较器的一个输入端连接量化电容阵列和校准电容阵列，比较器的另一个输入端连接正向基准电压，使得单端结构的SAR ADC的量化范围为-VCM～+VCM，对0采样需要将校准电容阵列cCDAC和量化电容阵列CDAC的所有电容下极板连接地电平；数模转换器双端采样时，由于差分结构的SARADC，若输入为vi，则两边采样电压分别为VCM+vi/2和VCM-vi/2，故对0采样需要将连接比较器两个输入端的校准电容阵列cCDAC和量化电容阵列CDAC中所有电容的下极板连接共模电平。在SAR ADC正常工作模式的采样阶段，根据失调码字Doffset通过校准数模转换器的校准电容阵列cCDAC，补偿输入信号，从而达到失调校准的目的。
以双端采样为例，根据SAR ADC工作原理，在校准模式结束时，量化电容阵列CDAC输出电压为：
Figure BDA0001779955780000041
其中，Vdp为数模转换器DAC的P端输出电压，Vxn为数模转换器DAC的N端输出电压，亦为比较器N端输入电压，Vri为数模转换器DAC的P端连接的量化电容阵列CDAC中第i位电容下极板连接电位，
Figure BDA0001779955780000042
为数模转换器DAC的N端连接的量化电容阵列CDAC中第i位电容下极板连接电位，且
Figure BDA0001779955780000043
为Vri的反相信号，Vcm为共模电压，Ci为量化电容阵列CDAC中第i位电容值，Ct为单端总电容值。
比较器输入电压Vx满足下式：
Figure BDA0001779955780000051
正常工作模式的采样阶段，量化电容阵列CDAC的电容充电：
Figure BDA0001779955780000052
正常工作模式的比较阶段，开始比较前，量化电容阵列CDAC的电容上下极板的电荷量满足：
Figure BDA0001779955780000053
则比较器的输入电压为：
Figure BDA0001779955780000054
此后，开始比较，SAR ADC对比较器端输入电压Vx进行量化。而根据式(1)后一项在ADC的量化精度1LSB的一半以内，因此ADC对式(5)的量化结果反应了输入电压Vin＝Vinp-Vinn的大小，且误差在1LSB以内，达到了消除失调的目的。
综上所述，本发明提出了一种应用于SAR ADC的比较器失调电压校准方法，只需要在传统数模转换器DAC的基础上添加一个和量化电容阵列相同结构的校准电容阵列和简单的逻辑设计即可实现，校准精度高且不需要实时刷新。
本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明做出修改和变形组合，但在不脱离本方案的精神的范围内，均应涵盖在本发明的权利保护范围之内。

Claims (3)

1.一种动态比较器失调电压校准方法，其特征在于，用于校准逐次逼近模数转换器得到的输出量化码字中的比较器失调电压，所述逐次逼近模数转换器的数模转换器包括量化电容阵列和校准电容阵列，所述校准电容阵列与所述量化电容阵列一致；
所述量化电容阵列中电容的上极板连接所述逼近模数转换器中比较器的其中一个输入端，下极板通过开关连接基准电压、共模电压、输入电压或地电压；所述校准电容阵列与量化电容阵列中电容的个数和电容值对应相同，同样的，校准电容阵列中电容的上极板连接所述逼近模数转换器中比较器的另一个输入端，下极板通过开关连接基准电压、共模电压、输入电压或地电压；校准电容阵列与量化电容阵列的上极板通过一个开关与共模电压Vcm相连，且校准电容阵列所有电容的下极板可以通过一个开关与上极板连接；
所述逐次逼近模数转换器在量化时对比较器失调电压进行校准的步骤如下：
步骤一、将所述校准电容阵列和量化电容阵列中所有电容的上极板和下极板连接共模电压，利用所述校准电容阵列和量化电容阵列中所有电容下极板对0采样；
步骤二、将所述量化电容阵列中所有电容下极板连接共模电压，将所述校准电容阵列中所有电容下极板与其上极板连接，将所述量化电容阵列和校准电容阵列中所有电容的上极板与共模电压断开连接，比较器开始比较并根据比较结果切换所述量化电容阵列中每个电容的下极板所接电位，直到切换完所述量化电容阵列的最低位电容后得到所述逐次逼近模数转换器的失调码字；
步骤三、将所述量化电容阵列的所有电容下极板连接输入电压，将所述校准电容阵列中所有电容下极板根据步骤二得到的所述失调码字的反相信号进行对应切换，将所述量化电容阵列和校准电容阵列中所有电容的上极板连接共模电压；
步骤四、将所述量化电容阵列中所有电容的下极板连接共模电压，将校准电容阵列中所有电容的下极板连与上极板连接，将所述量化电容阵列和校准电容阵列中所有电容的上极板与共模电压断开连接，比较器开始比较并根据比较结果切换所述量化电容阵列中每个电容的下极板所接电位，直到切换完所述量化电容阵列的最低位电容后得到所述逐次逼近模数转换器的输出量化码字，所述输出量化码字为消除了比较器失调电压的结果。
2.根据权利要求1所述的动态比较器失调电压校准方法，其特征在于，所述逐次逼近模数转换器为数模转换器单端采样，比较器的一个输入端连接所述量化电容阵列和校准电容阵列，比较器的另一个输入端连接正向基准电压，在步骤一对0采样时，所述校准电容阵列和量化电容阵列中所有电容下极板连接地电压。
3.根据权利要求1所述的动态比较器失调电压校准方法，其特征在于，所述逐次逼近模数转换器为数模转换器双端采样，比较器的每个输入端均连接所述量化电容阵列和校准电容阵列，在步骤一对0采样时，所述校准电容阵列和量化电容阵列中所有电容下极板连接共模电压。
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