[發明專利]全動態范圍NS SAR ADC中的二階失配誤差整形技術

有效

• 申請號: 202010190251.6
• 申請日: 2020-03-18
• 公開（公告）號: CN111371456B
• 公開（公告）日: 2022-11-15
• 發明（設計）人: 吳建輝;張力振;馮金宣;魏曉彤;李紅
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H03M1/06
• 分類號: H03M1/06;H03M1/10
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 劉莎

本發明公開了一種抑制噪聲整形(Noise?Shaping，NS)逐次逼近寄存器型(Successive Approximation Register，SAR)模數轉換器(Analogue?to?Digital Converters，ADC)中電容式數模轉換器(Capacitive Digital?to?Analogue Converter，CDAC)失配誤差的二階整形技術。通過將前兩個周期產生的失配誤差反饋到當前周期，二階失配誤差整形得以實現。此外，在模擬域中，通過反轉最高有效位CDAC來消除最低有效位CDAC反饋的值，從而消除動態范圍的損耗。該技術可以直接嵌入到SAR ADC的工作環路中，僅需增加一個比較器的輸入對和一個誤差采樣電容。仿真結果表明，采用該整形技術后，10?bit NS SAR ADC的信噪失真比(signal to noise and distortion ratio，SNDR)由75.7提高到84.8dB，無雜散動態范圍(spurious?free dynamic range，SFDR)由78.2提高到107.3dB。

技術領域

本發明屬于高精度模數轉換器技術領域，涉及一種失配誤差整形技術，尤其一種全動態范圍NS SAR ADC中的二階失配誤差整形技術。

背景技術

比較器噪聲和CDAC失配誤差帶來的非線性是限制SAR ADC精度的兩個基本的因素。因此，近年來各種有效的解決辦法被提出去增強SAR ADC的動態性能。

為了降低比較器噪聲，NS SAR ADC將Sigma-Delta調制器的噪聲整形能力引入到SAR ADC的工作機制中，從而將SAR ADC信號帶寬內的比較器噪聲調制到信號帶寬外，進而達到更高的分辨率。

為了緩解CDAC失配誤差帶來的非線性，數字校準是一個非常具有吸引力的解決方法。數字校準通過對失配誤差進行測量并在數字域進行補償，進而可以完全消除失配誤差。但是數字校準要么需要打斷SAR ADC的正常工作，要么需要很長的時間收斂。另一種處理失配誤差的方法是利用動態元件匹配技術(Dynamic Element Matching，DEM)，其通過隨機的選擇溫度碼元件從而實現對失配誤差的頻譜整形。然而，DEM邏輯的硬件復雜度隨分辨率呈現指數增加。因為這個原因，DEM通常只適用于4-bit以內的高位電容整形。所以DEM僅能夠對高位電容失配誤差進行一階噪聲整形，但是低位電容的電容失配依然存在。失配誤差整形(Mismatch Error Shaping，MES)技術也是處理失配誤差的有效方法。由于特殊的工作原理，MES技術可以直接應用到SAR ADC中而不需要增加額外的硬件開銷。但是MES技術也有自己的缺陷。由于需要在采樣階段將上一個周期的量化值反饋到輸入信號，因此信號輸入范圍和系統的動態范圍嚴重縮小。此外，這種簡單的反饋上一周期的量化值只能提供一階整形效果，當失配誤差較大時，MES對動態性能的提升很有限。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術的不足，提供一種全動態范圍的二階失配誤差整形技術，用于整形NS SAR ADC中電容失配誤差引入的非線性。只需要增加一個比較器輸入對和一個誤差采樣電容。該二階失配誤差整形技術能夠有效提高NS SAR ADC的信噪比以及無雜散動態范圍。

本發明具體采用以下技術方案解決上述技術問題：

一種全動態范圍NS SAR ADC中的二階失配誤差整形技術，在SAR ADC的工作環路中增加一個誤差采樣電容，并在工作環路中的比較器上增加一個輸入對。

所述失配誤差整形技術具有以下步驟：

步驟1，CDAC電容陣列頂極板連接共模電壓，同時將第n-1周期的轉換結果反饋到CDAC電容陣列底極板，如果第n-1周期的轉換結果等于1，電容底極板連接到負參考電壓，否則連接到正參考電壓；此外，誤差采樣電容保持復位操作；