[发明专利]一种电容型逐次逼近模数转换器及其自校准方法

说明书

本发明公开了一种带片内数字自校准的电容型逐次逼近模数转换器及其自校准方法。本发明包括权重寄存器、电容型SAR ADC和校准单元；其中校准单元包括sigma‑delta ADC、采样保持电路、数字校准电路；该采样保持电路的输入端与信号输入端连接，该采样电路的输出端经该sigma‑delta ADC与该数字校准电路连接；该电容型SAR ADC的比较器输出端与该数字校准电路连接；该数字校准电路与该权重寄存器连接，用于根据D₁、D₂对该权重寄存器中的权重值进行更新；该权重寄存器与该电容型SAR ADC的比较器输出端连接。本发明提高了模数转换电路的有效位数，降低了校准电路的面积开销。

技术领域

本发明属于微电子与固体电子学技术领域，为了提高逐次逼近型SAR(SuccessiveApproximation)模数转换器ADC有效精度，提出了一种基于片内可集成的数字域算法的电容阵列自校准技术。

背景技术

随着信息技术的发展，许多物联网，可穿戴电子设备应用都需要高采样率，高精度、低功耗和小尺寸的模数转换器。ADC作为现实模拟信号世界与计算机系统数字信号世界之间的接口在军事、通信、成像、音频、医疗等领域具有着关键的作用。它把现实世界的模拟信号经过采样、量化转换为与之对应的二进制编码，便于计算机系统对信息的进一步处理。随着电子消费品应用的多样化发展，ADC结构的设计也逐步向着高精度和低功耗方向发展。

各类型的ADC在电路结构，算法原理，性能，功耗和硬件面积开销上都有显著的差异，不同应用也往往会对各种指标进行折中，选择与之相适应的ADC结构。而逐次逼近型ADC作为一种具有中高速度、中高精度、低功耗且结构简洁的常见模数转换器，正得到越来越多应用的青睐。传统SAR ADC的分辨率一般在8~16位之间，较高精度的SAR ADC一般需要经过校准才能达到相应的有效位数。

SAR ADC一般主要由DAC阵列，逐次逼近控制逻辑和Latch比较器构成。根据DAC阵列的不同，可将其分为电容型SAR ADC、电阻型SAR ADC、电容电阻混合型SAR ADC和电流型SAR ADC等类型。其中，由于功耗较低，电容型SAR ADC是最常见的结构。电容型SAR ADC的精度损失主要来自于电容之间的工艺和匹配误差。理想模型下的N位电容型SAR ADC结构每一位的电容应该是前一位的两倍，最低位到最高位呈二进制编码，而现实情况下的电容不匹配，会造成SAR ADC产生丢码、错码情况，从而损害SAR ADC的各项静态与动态性能指标，从而降低了SAR ADC的有效位数。

SAR ADC的校准技术一般分为模拟和数字两类。模拟方法核心思想一般为通过控制可调电容阵列逐位调整SAR ADC的采样电容值，使之与前一位电容值成两倍关系匹配，需要复杂的时序和版图设计。数字方法较之模拟方法更为常用，一般基于最小二乘法对各位电容权重值进行拟合，往往需要芯片与外界软件或FPGA计算资源。与外界的通信增加了校准的不可靠性。

本发明提出了一种新型的基于片内数字算法的高精度自校准SAR ADC，它具有低功耗、高精度、能自动适应工作环境变化的特点，并可以有效应用于阵列级或多通道SARADC的场景当中，其推广意义重大。

发明内容

本发明针对电容型SAR ADC失配模型提出一种新型的基于片内数字算法的自校准结构。此方法通过片内数字校准的手段修正了每一位电容的权重值，从而提高了模数转换电路的有效位数。同时，本发明通过对数字电路的优化，降低了校准电路的面积开销，使其能够与SAR ADC集成在一起。

本发明的技术方案为：

一种带片内数字自校准的电容型逐次逼近模数转换器，其特征在于，包括权重寄存器、电容型SAR ADC和校准单元；其中所述校准单元包括sigma-delta ADC、采样保持电路、数字校准电路；