[发明专利]一种逐次逼近型模数转换器的数字自校准装置及方法

说明书

本发明属于模拟集成电路设计领域，公开了一种逐次逼近型模数转换器的数字自校准装置及方法，数字自校准装置包括校准开关、比较器和逻辑控制单元；数字自校准方法包括采样，选取首位校准电容单元进行电荷重分配，通过逻辑控制电容的下极板接地或者基准电压之间的切换，逐次逼近首位校准电容单元进行电荷重分配带来的电压差，通过比较器的输出进行量化计算，按照量化结果进行校准计算，得到校准结果作为校准权重值，存在寄存器中用于模数转换器征程工作使用，重复进行完成所有高位电容的校准。本方法通过复用计算电路，减少了电路面积，同时保证了模数转换器的高精度量化。

技术领域

本发明属于模拟集成电路设计领域，涉及一种逐次逼近型模数转换器的数字自校准装置及方法。

背景技术

制约逐次逼近型模数转换器性能的主要因素包括比较器失调、噪声影响、电容寄生和电容失配等因素。由于制造工艺的偏差，电容通常会出现随机失配。当逐次逼近型模数转换器的电容阵列出现电容失配时，会对逐次逼近型模数转换器的整体线性度产生影响。对逐次逼近型模数转换器的电容阵列进行校准是提高逐次逼近型模数转换器线性度的重要技术。校准可以分为数字校准和模拟校准，而数字校准又包含前台校准和后台校准。模拟校准是指，使用设计模拟电路来配合检测和补偿主DAC阵列的失配，数字校准是指分析数字码从而计算电容失配并进行修正。前台校准是指模数转换器在正常工作之前，先进行校准，采用校准值进行模拟量到数字码的转换；而后台校准是指模数转换器工作之中同时进行校准。通常来讲，数字后台校准相比前台校准需要消耗更大面积。

国内外许多科研人员对模拟校准技术研究方向上进行了一系列的研究，2007年Yasuhide Kuramochi等人设计了一款10bit逐次逼近型模数转换器，通过模拟校准去除了部分电容，从而减小了电路面积，该模拟校准方案为设计校准DAC阵列，使用校准电容阵列搜索主DAC阵列的偏差，并将结果写入寄存器中。2010年Zhenning Wang等人提出一种前台校准技术，通过校准DAC阵列校准每个待校准电容，并将校准DAC阵列的反转结果通过ALU进一步计算为校正项从而完成电容失配校准。2016年Yaguang Zhu等人设计了校准电容器阵列，在校准开始时，不断接入校准电容阵列来补偿比较器两端电压，直到比较器反转，此时记录下消耗的校准电容，在正常转换数字码时，校准电容与转换电容阵列同时反转，来补偿电容失配的损失。数字校准技术的研究又可以分为前台和后台校准。在前台校准的研究方向上，Xian Gu等人提出一种根据码密度校准算法，通过计算码值出现频率，调整可配置电容器。2017年Junhua Shen提出一种LSB重复结构来降低噪声，同时使用了低位电容校准高位电容的前台校准算法，同时由于LSB重复结构增加了误差的可测范围，提高了校准的精度。此外，Chang Dong-Jin等人提出可以优化校准算法，来减小了前台校准的电容数量。在后台校准上，McNeill John A等人提出LMS后台校准算法来迭代直到码值线性变化，此时电容阵列存储并用于后续计算。还有Liu W等人提出的基于扰动的校准算法，在电容阵列上设计一个额外电容，根据此电容的切换，会引入扰动电压，利用此扰动，来迭代计算电容阵列。此外，还可以通过片外校准来减小电路面积同时也可以最小化电容失配带来的性能损失，Yingying Chi通过设计片外校准和自举开关以及动态锁存型电压放大器等方式来提高精度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中存在逐次逼近型模数转换器的数字前台校准算法的计算电路复杂，精度低的缺点，提供一种逐次逼近型模数转换器的数字自校准装置及方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种逐次逼近型模数转换器电容数字自校准装置，所述模数转换器包括互补的正电容阵列和负电容阵列，所述电容数字自校准装置包括校准开关、比较器和逻辑控制单元；