[发明专利]高精度数据转换的电荷补偿校准

说明书

【技术领域】

本发明涉及模数转换器(ADC)，特别涉及用于提高逐次逼近寄存器(SAR)ADC精度的校准方法。

【背景技术】

在系统芯片内常有各种模拟和数字电路。信号从数字域到模拟域转变，或者相反。模拟信号转换成数字信号用于复杂的数字处理，例如数字信号处理器(DSP)。

有多种类型的模数转换器(ADC)已经广泛用于各种应用当中。闪速式(flash)ADC在一瞬间比较模拟信号电压和多个电压电平，产生一个代表该模拟电压的多比特数字值。逐次逼近ADC使用一系列阶段将一个模拟电压转换成数字比特。每个阶段比较一个模拟电压和一个参考电压，产生一个数字比特。在分级比较(sub-ranging)ADC中，每个阶段比较一个模拟电压和几个电压电平，所以每个阶段产生几个比特。在管线中，随后的阶段比在前的阶段产生更低的有效数字比特。

算法、循环型ADC使用一个环路去转换模拟电压。该模拟电压被取样和比较以产生一个最高有效数字比特。然后该数字比特被转换回模拟的并从原模拟电压中减去，产生一个残余电压。然后该残余电压乘以2，再返回比较器以产生下一个数字比特。所以数字比特是在同一个比较器阶段里的多个循环里产生的。

图1是一个逐次逼近式寄存器ADC。逐次逼近寄存器SAR 102接收一个时钟CLK并包含一个寄存器值，其不断改变而逐渐接近模拟输入电压VIN。例如，当和VIN 0.312伏特比较时，在SAR 102中的值可以开始是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输出当前寄存器值到数模转换器(DAC)100，其接收一个参考电压VREF，并将寄存器值转换成一个模拟电压VA。

输入模拟电压VIN被施加在取样保持电路104上，其取样并保持VIN值。例如，一个电容器可以由VIN充电，然后该电容器和VIN隔离，保持该模拟电压。被取样保持电路104取样的输入电压施加在比较器106的反相输入上。被转换的模拟电压VA施加在比较器106的非反相输入上。

比较器106比较转换的模拟电压VA和取样的输入电压，当转换的模拟电压高于取样的VIN时，产生一高输出，SAR 102内的寄存器值就太高。然后SAR 102内的寄存器值就降低。

当转换的模拟电压VA低于取样的输入电压时，比较器106就产生一低输出到SAR 102。SAR 102内的寄存器值就太低，然后SAR 102内的寄存器值就升高用于下一循环。

SAR 102中的寄存器值是N比特的二进制值，其中D(N-1)是最高有效比特(MSB)，D0是最低有效比特(LSB)。SAR 102可以首先设置MSB D(N-1)然后比较转换的模拟电压VA和输入电压VIN，然后基于比较而调整MSB和/或设置下一个MSB D(N-2)。重复该设置和比较循环，直到N次循环后设置LSB。在最后一个循环后，循环结束信号EOC被激活，指示完成。一个状态机或其他控制器可以与SAR一起使用或包含在SAR内，以控制顺序。

DAC 100或取样保持电路104可以有一电容器阵列。电容有二进制加权值，如1，2，4，8，16，32，...乘以一最小电容尺寸。例如，一个6比特DAC可以有一排1，2，4，8，16，32乘以一最小电容C的电容。较高精度的DAC如11比特DAC有较大的电容器值，如2^N-1＝1024。

图2显示SAR ADC解析一个输入电压。SAR 102的寄存器值初始被设置为1/2，或10000。比较器106确定输入电压VIN低于来自SAR 102的转换值，所以在下一循环，SAR 102被设置为1/4，或01000。比较器106确定输入电压VIN高于来自SAR 102的转换值，所以在第三循环，SAR 102被设置为3/8，或01100。比较器106确定输入电压VIN低于来自SAR 102的转换值，所以在第四循环，SAR 102被设置为5/6，或01010。现在比较器106确定输入电压VIN高于来自SAR 102的转换值，所以在第五循环，SAR 102被设置为9/32，或01011。最后的比较是VIN高于转换值，因此最终结果是01011。