[發明專利]高精度數據轉換的電荷補償校準

有效

• 申請號: 201110400851.1
• 申請日: 2011-11-30
• 公開（公告）號: CN102437850A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發明（設計）人: 溫錦泉;王一濤;溫皓明;陳桂枝
• 申請（專利權）人: 香港應用科技研究院有限公司
• 主分類號: H03M1/10
• 分類號: H03M1/10
• 代理公司: 深圳新創友知識產權代理有限公司 44223
• 代理人: 江耀純

【技術領域】

本發明涉及模數轉換器(ADC)，特別涉及用于提高逐次逼近寄存器(SAR)ADC精度的校準方法。

【背景技術】

在系統芯片內常有各種模擬和數字電路。信號從數字域到模擬域轉變，或者相反。模擬信號轉換成數字信號用于復雜的數字處理，例如數字信號處理器(DSP)。

有多種類型的模數轉換器(ADC)已經廣泛用于各種應用當中。閃速式(flash)ADC在一瞬間比較模擬信號電壓和多個電壓電平，產生一個代表該模擬電壓的多比特數字值。逐次逼近ADC使用一系列階段將一個模擬電壓轉換成數字比特。每個階段比較一個模擬電壓和一個參考電壓，產生一個數字比特。在分級比較(sub-ranging)ADC中，每個階段比較一個模擬電壓和幾個電壓電平，所以每個階段產生幾個比特。在管線中，隨后的階段比在前的階段產生更低的有效數字比特。

算法、循環型ADC使用一個環路去轉換模擬電壓。該模擬電壓被取樣和比較以產生一個最高有效數字比特。然后該數字比特被轉換回模擬的并從原模擬電壓中減去，產生一個殘余電壓。然后該殘余電壓乘以2，再返回比較器以產生下一個數字比特。所以數字比特是在同一個比較器階段里的多個循環里產生的。

圖1是一個逐次逼近式寄存器ADC。逐次逼近寄存器SAR?102接收一個時鐘CLK并包含一個寄存器值，其不斷改變而逐漸接近模擬輸入電壓VIN。例如，當和VIN?0.312伏特比較時，在SAR?102中的值可以開始是0.5，然后是0.25，然后是0.375，然后0.312，然后0.281，然后0.296，然后0.304，然后0.308，然后0.31，然后0.311，最后是0.312。SAR?102輸出當前寄存器值到數模轉換器(DAC)100，其接收一個參考電壓VREF，并將寄存器值轉換成一個模擬電壓VA。

輸入模擬電壓VIN被施加在取樣保持電路104上，其取樣并保持VIN值。例如，一個電容器可以由VIN充電，然后該電容器和VIN隔離，保持該模擬電壓。被取樣保持電路104取樣的輸入電壓施加在比較器106的反相輸入上。被轉換的模擬電壓VA施加在比較器106的非反相輸入上。

比較器106比較轉換的模擬電壓VA和取樣的輸入電壓，當轉換的模擬電壓高于取樣的VIN時，產生一高輸出，SAR?102內的寄存器值就太高。然后SAR?102內的寄存器值就降低。

當轉換的模擬電壓VA低于取樣的輸入電壓時，比較器106就產生一低輸出到SAR?102。SAR?102內的寄存器值就太低，然后SAR?102內的寄存器值就升高用于下一循環。

SAR?102中的寄存器值是N比特的二進制值，其中D(N-1)是最高有效比特(MSB)，D0是最低有效比特(LSB)。SAR?102可以首先設置MSB?D(N-1)然后比較轉換的模擬電壓VA和輸入電壓VIN，然后基于比較而調整MSB和/或設置下一個MSB?D(N-2)。重復該設置和比較循環，直到N次循環后設置LSB。在最后一個循環后，循環結束信號EOC被激活，指示完成。一個狀態機或其他控制器可以與SAR一起使用或包含在SAR內，以控制順序。

DAC?100或取樣保持電路104可以有一電容器陣列。電容有二進制加權值，如1，2，4，8，16，32，...乘以一最小電容尺寸。例如，一個6比特DAC可以有一排1，2，4，8，16，32乘以一最小電容C的電容。較高精度的DAC如11比特DAC有較大的電容器值，如2^N-1＝1024。

圖2顯示SAR?ADC解析一個輸入電壓。SAR?102的寄存器值初始被設置為1/2，或10000。比較器106確定輸入電壓VIN低于來自SAR?102的轉換值，所以在下一循環，SAR?102被設置為1/4，或01000。比較器106確定輸入電壓VIN高于來自SAR?102的轉換值，所以在第三循環，SAR?102被設置為3/8，或01100。比較器106確定輸入電壓VIN低于來自SAR?102的轉換值，所以在第四循環，SAR?102被設置為5/6，或01010?，F在比較器106確定輸入電壓VIN高于來自SAR?102的轉換值，所以在第五循環，SAR?102被設置為9/32，或01011。最后的比較是VIN高于轉換值，因此最終結果是01011。