[发明专利]应用于高精度逐次逼近型ADC的电容失配和失调电压校正方法

说明书

本发明公开了一种应用于高精度逐次逼近型ADC的电容失配和失调电压校正方法，该方法在传统SAR ADC结构的基础上增加了校正DAC以及对应的逻辑控制电路，在芯片上电一段时间内，通过对校正DAC和主DAC的开关控制，计算、存储电容失配和比较器失调的信息，并在正常工作模式中，将存储器中的偏差信息读入到校正DAC中，以模拟量的形式对偏差进行补偿。本发明方法包含了对每一位电容失配的校正以及比较器失调校正，可以通过改变校正DAC的电容规模，改变校正的精度，使其符合高精度SAR ADC的设计需求，可以广泛应用于高精度SAR ADC的电路设计。

技术领域

本发明属于模拟数字转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)技术领域，具体涉及一种应用于高精度逐次逼近型ADC的电容失配和失调电压校正方法。

背景技术

模拟数字转换器是将模拟信号转换成数字信号的核心模块，它广泛应用于消费电子、军工、航空航天和工业等领域，完成A/D转换的工作。ADC根据不同的工作方式可分为快闪型(Flash)、流水线型(Pipeline)、积分型(Sigma-Delta)、逐次逼近型(SAR)；不同的ADC应用于不同的领域，性能各异。

Flash ADC结构简单、转换速度快，但是功耗高，适用于高速低精度领域；PipelineADC是由多个ADC级联而成，以流水线的形式工作，每一级都包括采样保持电路、低分辨率ADC、数字模拟转换器(Digital-to-Analog Converter，DAC)以及求和电路，具有线性度好和失调低等优点，但是整数倍级间增益难以控制，功耗高，应用于高速高精度领域；Sigma-Delta ADC精度比其它类型的ADC都要高，速度一般低于其它ADC，具有高分辨率、低噪声、低功耗等优点，一般应用于低速高精度领域。

SAR ADC在功耗、速度、精度方面实现了很好的均衡，被广泛应用于高精度低功耗小尺寸领域，例如可穿戴设备、频谱分析仪、数据采集器等。得益于CMOS工艺的发展，目前SAR ADC的采样率可以达到上百MHz，功耗可以低至nW级别，精度可以达到14～16bit，具有明显的功耗、效率综合优势，是应用最为广泛的ADC架构之一。

如图1所示，SAR ADC包括四个部分：采样保持电路、数字模拟转换器、比较器和SAR逻辑。采样保持电路采样模拟输入电压，与DAC的初始值V_FS/2(V_FS为满量程电压)通过比较器进行比较，如果模拟输入电压大于DAC的输出电压，则当前位的编码为1，DAC的开关状态保持不变；如果模拟输入电压小于DAC的输出电压，则当前位的编码为0，DAC的开关状态返回至动作之前；然后SAR逻辑控制移至下一位，再一次改变DAC的开关状态，然后与模拟输入电压进行比较，如此反复，直到完成最后一位的比较，获得全部A/D转换编码。SAR ADC工作原理的核心思想是二分法，每次DAC输出电压的变化为1/2ⁿ，逐次逼近模拟输入电压，实现A/D转换。

目前使用较为广泛的SAR ADC是基于电荷重分配原理进行实现的，这种类型的SARADC的DAC模块没有静态功耗，切换的动态功耗也比较小，并且结构与采样保持电路的开关电容结构兼容，能够简化电路设计；但是工艺偏差造成的电容失配会影响ADC的线性度，在高精度以及先进工艺的设计中，影响更为明显，因此需要采用校正算法对电容失配造成的误差进行修正。

校正一般有两种分类方法，一种分为模拟校正和数字校正，另一种分为前台校正和后台校正。模拟校正是指通过改变电容阵列的电容值来调整当前位的电容权重，实现编码校正；数字校正是指通过改变当前位的数字权重来改变输出编码；前台校正是指在芯片上电后的一段时间内对电容的权重进行校正，校正完成之后再进行正常的转换工作；后台校正是指在芯片正常工作时同步进行校正工作；两种分类方法一般形成四种校正方案：模拟前台校正、模拟后台校正、数字前台校正、数字后台校正。