[发明专利]一种应用于高精度逐次逼近模数转换器的数字校准方法

权利要求书

1.一种应用于高精度逐次逼近模数转换器的数字校准方法，其中，主DAC为多段式电容阵列结构，校准DAC由多个并联的子DAC构成；所述子DAC的数量与所述主DAC中高段电容阵列的位数相同；在多个并联的子DAC的输出端同时并联有一接地的大电容以及一个接共模电压V_cm的开关，该大电容的容值为几十倍至数百倍单位电容；每个子DAC由二进制加权的电容阵列构成，在多个并联的子DAC的电容下极板上设有接地GND的开关和接参考电压V_ref的开关，每个子DAC的输出端均分别串联一个电容接入到所述校准DAC的输出端；

其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、校准DAC的设计，包括：

步骤（1-1）、将所述主DAC高段中每一位电容的误差电压数字化：定义校准DAC中电容下极板接地GND为0，接参考电压V_ref为1，初始态所有子DAC电容的下极板都接GND，则对应的初始态的校准码为00000000，然后再依次切换开关，使得该校准码逐个加1，如00000000->00000001->00000010->00000011->……校准DAC的输出信号会按照一个固定的小电压值有规律的呈台阶状逐步上升；同理，如果子DAC的初始态是电容下极板全接V_ref，则对应的初始校准码为11111111，然后使其逐个减1，11111111->11111110->11111101->11111100->……校准DAC的输出信号按照一个固定的小电压值有规律的呈台阶状逐步下降；

步骤（1-2）、将上述处理后的校准码进行数模转换：将处理好后的校准码加到子DAC的电容阵列中，此刻在校准DAC输出端产生的模拟信号与主DAC中产生的误差电压抵消；

步骤二、数字校准时序的设计，包括：

步骤（2-1）、获取校准码：通过主DAC在第一状态和第二状态间的切换，在主DAC的输出端得到误差电压，所述误差电压加在一比较器的正相端，该比较器的负向端连接至校准DAC；通过调节所述校准DAC，将该误差电压存储在所述校准DAC上；

步骤（2-2）、采样保持：

在采样阶段中，主DAC中高段电容的下极板接输入电压V_in，而上极板连接至共模电压V_cm，中低段电容的下极板接地GND，整个主DAC中电容上的总电荷Q_A为：

QA=(Vcm-Vin)Σi=0NCi+Vcm×CL]]>

其中，C_L为主DAC中耦合电容及所有中低段电容的等效电容；

将校准DAC中的子DAC设置到初始状态，即，将步骤（2-1）中子DAC误差电压为正的电容的下极板接地GND，将步骤（2-1）中子DAC误差电压为负的的电容的下极板接参考电压V_ref；

在保持阶段中，主DAC的上极板与共模电压V_cm断开，并且除了最高位电容的下极板接参考电压V_ref外，其余位的电容的下极板接地GND；

步骤（2-3）、逐位转换：采取从高位电容到低位电容转换的方式，在转换高段电容时，将对应位电容的校准码回补到校准DAC中对应的子DAC上，转换低段电容时，保持高段位转换完后校准DAC的状态；以此类推，直至转换周期结束。

2.根据权利要求1所述应用于高精度逐次逼近模数转换器的数字校准方法，其中，步骤（2-1）的具体过程如下：

1）主DAC第一状态的定义：

主DAC第一状态是指在获取主DAC高段中某一位电容的误差电压时，将该位电容接地GND，高段中其余的电容都接参考电压V_ref，同时，低段中的所有电容都接地GND；高段中的所有电容记为C₀～C_N，高低段之间的耦合电容及低段阵列中所有电容的等效电容记为C_L，在获取校准码阶段中，所述高低段之间的耦合电容及低段阵列中所有电容的等效电容C_L恒接地GND；在获取最高位电容误差时，高段中，最高位的电容C_N接地GND，其余的低位电容接参考电压V_ref，而电容的上极板接共模电压V_cm；此时整个主DAC所有电容上存储的电荷Q₁为：

Q1=(Vcm-Vref)Σi=0N-1Ci+Vcm×(CN+CL)---(1)]]>

2）主DAC第二状态的定义：

主DAC第二状态是指在获取高段中某一位电容的误差电压时，该位电容接参考电压V_ref，高段中其余的电容以及低段中的所有电容都接地GND；高段中，最高位的电容C_N接参考电压V_ref，高段中的其他电容C₀～C_N-1接地GND，而且高段中的所有电容的上极板与共模电压V_cm断开，在该上极板产生一个误差电压V_x；此时整个主DAC的电容上的电荷总量Q₂为：

Q2=Vx×(Σi=0N-1Ci+CL)+(Vx-Vref)×CN---(2)]]>

由于在这两个状态切换的时候，电容的上极板没有任何泄放回路，故电荷守恒，所以Q₁=Q₂；即可求得误差电压V_x：

Vx=Vcm+(CN-ΣI=0n-1Ci)VrefCL+ΣI=0NCi---(3)]]>

将误差电压V_x量化到校准DAC中，即可实现误差电压的数字化；

3）判断主DAC中误差电压的正负性：

在量化误差电压之前，因为失配可能是使电容偏大，也可能偏小，所以，需要判断误差电压的正负性，这时将比较器的负相端接共模电压V_cm，如果误差电压V_x比共模电压V_cm大，比较器输出为高电平或低电平；反之；

4）量化该误差电压；

若误差电压V_x比共模电压V_cm大，校准DAC中子DAC初始态应该是所有电容下极板接地GND,即初始校准码是00000000，然后再让该校准码逐个加1,使得校准DAC的输出电压逐步增大，直至比较器的输出信号发生反转，记录此刻子DAC中的开关状态，即完成了对误差电压的获取和数字化；

同理，若误差电压V_x比共模电压V_cm小，子DAC的初始状态为11111111,然后逐个减1,使得校准DAC的输出电压逐步减小，直至比较器输出信号发生反转,记录此刻子DAC的开关状态，即完成了对误差电压的获取和数字化；

5）计算回补校准码

根据下式进行数学转换后计算回补校准码：

VϵN=12VxNi=NVϵi=12(Vxi-Σj=I+1NVϵj)i=1,2,3......N-1---(4)]]>

式中V_xi为转换由高到低第i位的误差电压，当i=1时，V_x1是最高位的误差电压；i=2时，V_x2是次高位的误差电压，依次类推；同理，V_εi为转换由高到低第i位的最终在转换阶段回补到比较器负相端的校准电压；依此类推，完成对高段所有电容误差电压的获取和数字化，以及最终转换成校准电压。