CN113472351A - 一种精准测量片上电容比例的电路和方法 - Google Patents

一种精准测量片上电容比例的电路和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种精准测量片上电容比例的电路和方法，所述电路包括待测量DAC、求和模块、积分器、量化器和调制DAC模块，其中所述求和模块、所述积分器、所述量化器和所述调制DAC模块构成ΣΔ模拟调制器；所述求和模块的第一输入端连接所述待测量DAC的输出端，所述求和模块的第二输入端连接所述调制DAC模块的输出端，所述求和模块的输出端连接所述积分器的输入端，所述积分器的输出端连接所述量化器的输入端，所述量化器的输出端用于产生输出码流，并连接所述调制DAC模块的控制端。

Description

一种精准测量片上电容比例的电路和方法
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种精准测量片上电容比例的电路和方法。
背景技术
逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)通常用于中低精度的模数转换场合，由于结构简单、面积小且功耗低，因此得到了广泛的应用。但是，电容失配误差限制了该结构的线性度。同样地，ΣΔ模数转换器(ΣΔAnalog-to-Digital Converter，以下简称ΣΔADC)由于其过采样和噪声整形的特点能够达到一般奈奎斯特ADC所不能达到的精度，但是调制器的输出精度与其反馈DAC的输出精度密切相关，因为反馈DAC的失配噪声不能被整形。电容失配的影响广泛存在于这类面向高精度应用的场景中。
电容失配是一个相对的概念，在研究该问题时需要以一个电容作为参考。通过增大电容阵列的电容值，可以减小电容失配误差，但是将会带来电路面积变大、功耗增加和转换速度降低等负面影响。动态元件匹配方法(DEM)是适用于过采样型模数转换器的电容失配解决方法，通过将电容阵列分为一个个基本单元，并通过温度码以及特殊的基本单元选择逻辑对电容阵列进行控制，实现对电容失配误差在频谱上的整形或打散。在电容阵列位数较小时，该方法实现简单、代价小，但是由于复杂度随位数指数增加，因此不适用于位数大的情况；同时在ΣΔ模数转换器中由于DAC的失配噪声不能被整形，应用DEM会带来噪底提升，进而影响ADC的有效位数。
在多数的应用中，高精度的电容DAC并不需要获得每个电容的精确值，只需要获得每个电容单元之间的精确比例。因此，需要找到一种精准测量片上电容比例的方法，实现精确校准的目的，其方法实现简单又不额外增加不必要性能损失。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明，以便提供一种精准测量片上电容比例的方法和电路，将待测量DAC接入一个ΣΔ模拟调制器的环路中，通过读取ADC的输出计算得到精确的电容比例，既能简化电路复杂度，又能减小噪底和性能损失。
在本发明中，提供了一种精准测量片上电容比例的电路，包括：待测量DAC、求和模块、积分器、量化器和调制DAC模块，其中所述求和模块、所述积分器、所述量化器和所述调制DAC模块构成ΣΔ模拟调制器；
所述求和模块的第一输入端连接所述待测量DAC的输出端，所述求和模块的第二输入端连接所述调制DAC模块的输出端，所述求和模块的输出端连接所述积分器的输入端，所述积分器的输出端连接所述量化器的输入端，所述量化器的输出端用于产生输出码流，并连接所述调制DAC模块的控制端；
根据所述输出码流计算待测量DAC的片上电容比例。
进一步的，所述待测量DAC包括N个相同的相互并联连接的单元，其中N≥2；第N单元包括串联连接的第N开关SN和第N电容CN。
进一步的，设置N个测量周期，依次控制所述第N开关闭合。
进一步的，所述调制DAC包括第一调制开关Q1、第二调制开关Q2、第三调制开关Q3和参考电容Cref；所述第二调制开关Q2的第一端连接零电平；所述第三调制开关Q3的第一端连接第二电源电压V2；所述第二调制开关Q2的第二端、所述第三调制开关Q3的第二端连接所述第一调制开关Q1的第一端，所述第一调制开关Q1的第二端连接参考电容Cref的第一端，所述参考电容Cref的第二端形成调制DAC的输出端。
进一步的，所述第三调制开关Q3的控制端形成所述调制DAC的控制端，由所述ΣΔ模拟调制器的输出码流控制；所述第二调制开关Q2的控制端由反相输出码流控制。
进一步的，所述第N开关与第一调制开关Q1非交叠控制。
进一步的，
Figure BDA0003161163160000031
其中，μN为所述第N开关闭合时，所述调制器的输出码流的平均值，V1为待测量DAC的第一电源电压。
进一步的，所述待测量DAC中各个电容值之间的比例关系为：
C1：C2：...：CN＝μ1：μ2：...：μN。
在本发明中，还提供了一种精准测量片上电容比例的方法，应用于所述的精准测量片上电容比例的电路，根据所述ΣΔ模拟调制器的输出码流计算片上电容比例。
本发明的有益技术效果是：
本发明公开了一种精准测量片上电容比例的方法和电路，将待测量DAC接入一个ΣΔ模拟调制器的环路中，通过读取ΣΔADC的输出计算得到精确的电容比例，既能简化电路复杂度，又能减小噪底和性能损失。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种4单元的待测量DAC的电路图；
图2为本发明提供的一种精准测量片上电容比例的电路图；
图3为本发明提供的一种图2中虚框部分的电路图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本发明提供了一种精准测量片上电容比例的方法和电路，将待测量DAC接入一个ΣΔ模拟调制器的环路中，通过读取ADC的输出计算得到精确的电容比例，既能简化电路复杂度，又能减小噪底和性能损失。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明提供的一种4单元的待测量DAC。如图1所示，该待测量DAC包括4个相同的相互并联连接的单元，每个单元的输入端相连接，形成待测量DAC的输入端，每个单元的输出端相连接，形成待测量DAC的输出端。其中，第一单元包括串联连接的第一开关S1和第一电容C1；第二单元包括串联连接的第二开关S2和第二电容C2；第三单元包括串联连接的第三开关S3和第三电容C3；第四单元包括串联连接的第四开关S4和第四电容C4。待测量DAC的输入端连接第一电源电压V1，通过控制第一开关S1、第一开关S2、第三开关S3、第四开关S4，实现数模转换，在待测量DAC的输出端产生输出电压Vout。
进一步的，本发明还提供了一种N单元的待测量DAC，其中N≥2。待测量DAC包括N个相同的相互并联连接的单元，每个单元的输入端相连接，形成待测量DAC的输入端，每个单元的输出端相连接，形成待测量DAC的输出端。其中，第N单元包括串联连接的第N开关SN和第N电容CN。待测量DAC的输入端连接第一电源电压V1，通过控制N个开关，实现数模转换，在待测量DAC的输出端产生输出电压Vout。
图2为本发明提供的一种精准测量片上电容比例的电路图。如图2所示，将待测量DAC接入一个ΣΔ模拟调制器的环路中。该精准测量片上电容比例的电路包括待测量DAC、求和模块、积分器、量化器和调制DAC模块，其中求和模块、积分器、量化器和调制DAC模块构成ΣΔ模拟调制器。
求和模块的第一输入端连接待测量DAC的输出端，求和模块的第二输入端连接调制DAC模块的输出端，求和模块的输出端连接积分器的输入端，积分器的输出端连接量化器的输入端，量化器的输出端用于产生输出码流，并连接调制DAC模块的控制端。
现在参考图3，该图示出了图2中虚框部分的一种优选实施例，该精准测量片上电容比例的电路用于4单元的待测量DAC。
待测量DAC为所述4单元的待测量DAC，求和模块为一求和节点，用于连接待测量DAC的输出端和调制DAC的输出端，对待测量DAC的输出和调制DAC的输出进行求和。
调制DAC包括第一调制开关Q1、第二调制开关Q2、第三调制开关Q3和参考电容Cref。其中，第二调制开关Q2的第一端形成调制DAC的第一输入端，连接零电平；第三调制开关Q3的第一端形成调制DAC的第二输入端，连接第二电源电压V2；第二调制开关Q2的第二端、第三调制开关Q3的第二端连接第一调制开关Q1的第一端，第一调制开关Q1的第二端连接参考电容Cref的第一端，参考电容Cref的第二端形成调制DAC的输出端。
第三调制开关Q3的控制端形成调制DAC的控制端，由ΣΔ模拟调制器的输出码流bs控制；第二调制开关Q2的控制端由反相输出码流bs_bar控制。在校准模式下，第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4的控制端分别由四位控制信号b0、b1、b2、b3控制，第一调制开关Q1由控制信号b4控制。
通过四位控制信号b0、b1、b2、b3，第一开关S1-第四开关S4在每个测量周期的相位Φ1内闭合，每个测量周期只能有一个开关闭合。通过控制信号b4，第一调制开关Q1在每个测量周期的相位Φ2内闭合，相位Φ2与相位Φ1非交叠。
本发明的具体校准原理为：当进入校准模式后，第一开关S1-第四开关S4在相位Φ1内闭合时，第一调制开关Q1在相位Φ2内被控制为断开；反之，第一开关S1-第四开关S4在相位Φ1内控制断开时，第一调制开关Q1在相位Φ2内被控制为闭合。第三调制开关Q3由输出码流bs控制，第二调制开关Q2由反相输出码流bs_bar控制，取输出码流bs的平均值为μ，根据电荷平衡原理有：
V1·(b0·C1+b1·C2+b2·C3+b3·C4)-[μ·V2·Cref+(1-μ)·0·Cref]＝0
由上式可以发现，当b0、b1、b2、b3只有一个为1，其它都为0时，即可以得到所控制的电容同Cref的比值，例如当b0为1，b1、b2、b3都为0时，有：
Figure BDA0003161163160000061
由此，在进入校准模式后，依次让b0、b1、b2、b3单独为1，当b0单独为1时，调制器的输出码流bs的平均值为μ1，当b1单独为1时，调制器的输出码流bs的平均值为μ2，依次类推，则：
Figure BDA0003161163160000062
Figure BDA0003161163160000063
Figure BDA0003161163160000064
Figure BDA0003161163160000065
这样就得到各个电容值之间的精确比例关系：
C1：C2：C3：C4＝μ1：μ2：μ3：μ4
本发明还提供了一种精准测量片上电容比例的电路，用于N单元的待测量DAC。
待测量DAC中各个电容值之间的精确比例关系：
C1：C2：...：CN＝μ1：μ2：...：μN
其中，CN为待测量DAC的第N电容，μN为待测量DAC的第N开关闭合时，调制器的输出码流bs的平均值。
本发明还提供了一种精准测量片上电容比例的方法，应用于所述的精准测量片上电容比例的电路，根据所述ΣΔ模拟调制器的输出码流计算片上电容比例。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者***不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者***所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者***中还存在另外的相同要素。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种精准测量片上电容比例的电路，其特征在于，所述电路包括待测量DAC、求和模块、积分器、量化器和调制DAC模块，其中所述求和模块、所述积分器、所述量化器和所述调制DAC模块构成ΣΔ模拟调制器；
所述求和模块的第一输入端连接所述待测量DAC的输出端，所述求和模块的第二输入端连接所述调制DAC模块的输出端，所述求和模块的输出端连接所述积分器的输入端，所述积分器的输出端连接所述量化器的输入端，所述量化器的输出端用于产生输出码流，并连接所述调制DAC模块的控制端；
根据所述输出码流计算所述待测量DAC的所述片上电容比例。
2.根据权利要求1所述的精准测量片上电容比例的电路，其特征在于，所述待测量DAC包括N个相同的相互并联连接的单元，其中N≥2；第N单元包括串联连接的第N开关SN和第N电容CN。
3.根据权利要求2所述的精准测量片上电容比例的电路，其特征在于，设置N个测量周期，依次控制所述第N开关闭合。
4.根据权利要求2或3所述的精准测量片上电容比例的电路，其特征在于，所述调制DAC包括第一调制开关Q1、第二调制开关Q2、第三调制开关Q3和参考电容Cref；所述第二调制开关Q2的第一端连接零电平，所述第三调制开关Q3的第一端连接第二电源电压V2；所述第二调制开关Q2的第二端、所述第三调制开关Q3的第二端连接所述第一调制开关Q1的第一端，所述第一调制开关Q1的第二端连接参考电容Cref的第一端，所述参考电容Cref的第二端形成调制DAC的输出端。
5.根据权利要求4所述的精准测量片上电容比例的电路，其特征在于，所述第三调制开关Q3的控制端形成所述调制DAC的控制端，由所述ΣΔ模拟调制器的输出码流控制；所述第二调制开关Q2的控制端由反相输出码流控制。
6.根据权利要求4所述的精准测量片上电容比例的电路，其特征在于，所述第N开关与第一调制开关Q1非交叠控制。
7.根据权利要求4所述的精准测量片上电容比例的电路，其特征在于，
Figure FDA0003161163150000021
其中，μN为所述第N开关闭合时，所述调制器的输出码流的平均值，V1为所述待测量DAC的第一电源电压。
8.根据权利要求7所述的精准测量片上电容比例的电路，其特征在于，所述待测量DAC中各个电容值之间的比例关系为：
C1：C2：...：CN＝μ1：μ2：...：μN。
9.一种精准测量片上电容比例的方法，其特征在于，应用于权利要求1-8任一项所述的精准测量片上电容比例的电路，根据所述ΣΔ模拟调制器的所述输出码流计算所述片上电容比例。
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