專利名稱：用于具有電荷再分配數(shù)模轉(zhuǎn)換器的逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入不相關(guān)自校準(zhǔn)方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于具有電荷再分配數(shù)模轉(zhuǎn)換器的逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器(successiveapproximation analog-to-digital converter)的輸入不相關(guān)自校準(zhǔn)方法和裝置。
背景技術(shù)：
模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字表示，用于存儲、傳輸和進(jìn)一步的數(shù)字信號處理(DSP)的裝置。逐次逼近(SAR)ADC廣泛地應(yīng)用在傳感器網(wǎng)絡(luò)、可移植生物統(tǒng)計學(xué)、測量應(yīng)用、采集板、數(shù)字示波器和微控制器中，因此SARADC提供低的功耗、中速、中等至高分辨率、最少有源模擬電路、小的管芯尺寸、低的等待時間和高的可復(fù)用性。圖1示出SAR ADC 100的典型結(jié)構(gòu)，SAR ADC 100具有比較器110、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) 120和內(nèi)置對分搜索算法(binary search algorithm)的數(shù)字邏輯130。電容器陣列或電阻器陣列(未示出)通常可以用來實現(xiàn)DAC 120。在標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)中，采用電容器陣列是更典型的，因為對于給定面積，電容器的特征是比電阻器更小的失配誤差、更快的穩(wěn)定時間快和更少的電流消耗，允許更高的分辨率、更快的速度和更低功率。實驗表明，現(xiàn)代CMOS工藝通常提供高達(dá)10位的分辨率，其等同于0. 1%電容比失配。為了實現(xiàn)高于10位的分辨率，其它方法，如激光微調(diào)、模擬校準(zhǔn)和數(shù)字自校準(zhǔn)通常用來增加產(chǎn)率?；诩す馕⒄{(diào)的生產(chǎn)在晶片組通過調(diào)整容器陣列中的電容器值進(jìn)行，并且通常在制造工藝方面和管芯尺寸方面是昂貴的。由于封裝期間的機(jī)械應(yīng)力和激光微調(diào)元件的長期漂移，調(diào)整程序的改進(jìn)通常受到限制，并且是環(huán)境相關(guān)的。不同于晶片級調(diào)整，模擬校準(zhǔn)是在封裝組裝之后進(jìn)行的，因此通常不出現(xiàn)封裝退化。在校準(zhǔn)過程期間，具有高于正校準(zhǔn)的ADC 100的分辨率的線性度的外部模擬信號源被提供至ADC 100的輸入，并且模擬信號的數(shù)字表示被讀出并與理想編碼進(jìn)行比較。如果實際數(shù)字輸出不同于理想值，則電容器DAC 120中的電容器被調(diào)整以滿足要求；隨后提供另一個模擬輸入。這種程序通常被重復(fù)，直到超過過程匹配范圍的對最高有效位(MSB)起作用的所有電容器都被恰當(dāng)?shù)卣{(diào)整。類似于激光微調(diào)，模擬校準(zhǔn)過程僅在制造商處進(jìn)行一次，并且因此，ADC精度可能也隨著溫度變化和老化而降低。對具有更高的線性度的外部模擬信號源以及為誤差檢測和修正程序花費的時間的需求通常增加生產(chǎn)測試成本。為了避免與激光微調(diào)和模擬校準(zhǔn)二者相關(guān)的問題，可以針對電荷再分配DAC采用數(shù)種自校準(zhǔn)技術(shù)。一種自校準(zhǔn)技術(shù)在1983年被公開為圖2中示出的美國專利4，399，426，其中校準(zhǔn)電容器陣列215、存儲器220和用來執(zhí)行校準(zhǔn)算法的附加校準(zhǔn)邏輯240，245集成在具有二進(jìn)制加權(quán)電荷再分配DAC的SAR ADC 200中。校準(zhǔn)電容器陣列215在作為比較器230的負(fù)輸入口 231的模擬求和節(jié)點處連接功能電容器陣列210。比較器230的正輸入通常連接至虛設(shè)電容器陣列140(如圖1所示)，以提供對稱匹配，從而最小化源自預(yù)設(shè)開關(guān)溝道電荷注入效應(yīng)和時鐘饋通效應(yīng)的共模誤差。功能電容器陣列210中的失配的數(shù)字表示在誤差檢測過程期間產(chǎn)生。該數(shù)字表示存儲在存儲器220中，由SAR中的數(shù)字編碼尋址，并饋送至校準(zhǔn)邏輯240，以在校準(zhǔn)電容器陣列215的輸出端處產(chǎn)生失配補(bǔ)償電壓。校準(zhǔn)電容器陣列215的引入通常改善DAC的線性度，同時它增加了管芯尺寸，降低了信號增益，并增加了比較器230的負(fù)輸入處的信號穩(wěn)定時間。功能電容器陣列210和校準(zhǔn)電容器陣列215之間的同步操作迫使誤差修正信號的極性與由功能電容器陣列210提供的功能信號相同，并限制了涵蓋的失配誤差。只有實際電容器值小于理想值時，才會修正失配。因此，專利‘426中存在的自校準(zhǔn)技術(shù)的驗證通常依賴于過程梯度和布局平面圖。為了改善性能和減小管芯尺寸，美國專利5，684，487中公開了一種ADC 300，其在圖3中示出。SAR 350用于控制和校準(zhǔn)邏輯355執(zhí)行對分搜索和校準(zhǔn)算法。與專利‘426相反，專利‘487中的校準(zhǔn)電容器陣列310類似于功能電容器陣列315 (專利‘426中的功能電容器陣列210)設(shè)置,并代替比較器330的正輸入處的虛設(shè)電容器140 (參見圖1)。由于功能電容器陣列315與校準(zhǔn)陣列310隔離，因此不存在信號衰減，并且未在比較器330的負(fù)輸入引入附加的穩(wěn)定延遲。校準(zhǔn)系數(shù)在制造時在片下由數(shù)字電路計算并存儲在片上只讀存儲器(R0M)340中。校準(zhǔn)電容器陣列310在比較器330的正輸入處的引入在不占用更多的管芯面積的情況下在負(fù)輸入處同時提供誤差修正電壓和對稱電容負(fù)載。然而，在功能電容器陣列315的輸出端處示出的誤差電壓不能被完全補(bǔ)償。由于僅參考電壓和低電壓供給至校準(zhǔn)電容器陣列310，因此誤差修正信號是輸入不相關(guān)的。然而，從功能電容器陣列315中的具有失配的電容器單元產(chǎn)生的誤差信號是輸入相關(guān)的。將輸入不相關(guān)信號從輸入相關(guān)信號中減去在比較器330的差分輸入處以及在比較器330的輸出端處的數(shù)字編碼處留下輸入相關(guān)誤差。這種輸入相關(guān)線性度誤差使ADC 300的信噪比和失真率(SNDR)以及有效位數(shù)(ENOB)退化。此外，當(dāng)環(huán)境溫度變化時，一次制造位置校準(zhǔn)通常限制非線性誤差修正的效果，并且失配隨著老化而漂移。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，公開了具有采用自校準(zhǔn)算法的二進(jìn)制加權(quán)電荷再分配DAC的SARADC0SAR ADC包括比較器、用于進(jìn)行正常轉(zhuǎn)換的功能電容器陣列、用于提供誤差修正信號的校準(zhǔn)電容器陣列、用于控制對分搜索程序的數(shù)字控制邏輯、以及用于搜索誤差修正系數(shù)的校準(zhǔn)邏輯。


圖1為示出具有電荷再分布DAC的典型的現(xiàn)有SARADC的框圖。圖2為示出自校準(zhǔn)方法的結(jié)構(gòu)圖的現(xiàn)有技術(shù)，其中兩個電容器陣列連接在模擬求和點處。圖3為示出自校準(zhǔn)方法的結(jié)構(gòu)圖的現(xiàn)有技術(shù)，其中兩個電容器陣列連接在不同的比較器輸入處。圖4為示出根據(jù)本發(fā)明的自校準(zhǔn)方法的一個實施例的框圖。圖5為示出根據(jù)本發(fā)明的二進(jìn)制加權(quán)電荷再分配功能DAC和校準(zhǔn)DAC的結(jié)構(gòu)的電路圖。圖6a為示出根據(jù)本發(fā)明的包括次級主校準(zhǔn)陣列和次級輔助校準(zhǔn)陣列的偏移校準(zhǔn)陣列的結(jié)構(gòu)的電路圖。圖6b為示出根據(jù)本發(fā)明的包括次級主校準(zhǔn)陣列和次級輔助校準(zhǔn)陣列的CPC校準(zhǔn)陣列的結(jié)構(gòu)的電路圖。圖6c為示出根據(jù)本發(fā)明的包括次級主校準(zhǔn)陣列和次級輔助校準(zhǔn)陣列的MSB校準(zhǔn)陣列的結(jié)構(gòu)的電路圖。圖7為示出根據(jù)本發(fā)明的自校準(zhǔn)方法的誤差檢測過程的流程圖。圖8為示出根據(jù)本發(fā)明的用于正和負(fù)偏移誤差的誤差檢測過程的波形圖。圖9為示出根據(jù)本發(fā)明的用于正和負(fù)電容器誤差的誤差檢測過程的波形圖。圖10為示出根據(jù)本發(fā)明的耦合電容器調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的框圖。
具體實施例方式在根據(jù)本發(fā)明的實施例中，校準(zhǔn)過程分成兩個步驟誤差檢測和誤差修正。A.誤差檢測圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的具有自校準(zhǔn)電路的SAR ADC 400的框圖。SAR ADC 400包括比較器410、功能電容器陣列420、校準(zhǔn)電容器陣列430、控制邏輯440和校準(zhǔn)邏輯450。模擬輸入電壓“ Vin”、正參考電壓“ VKEFP”和負(fù)參考電壓“ VKEFN”在控制邏輯440和校準(zhǔn)邏輯450的控制下提供至功能電容器陣列420和校準(zhǔn)電容器陣列430 二者，以分別產(chǎn)生對分搜索電壓和誤差修正電壓。對分搜索電壓為由功能電容器陣列420產(chǎn)生的用來逐步逼近模擬輸入電壓的參考電壓，其中后一臺階大小為當(dāng)前臺階大小的一半，直到模擬輸入電壓和參考電壓之間的差位于“ (Vkefp-Vkefn)/2N”內(nèi)，“N”為ADC的分辨率。例如，所提供的第一參考電壓為“ (Vkefp-Vkefn)/2”，所提供的第二參考電壓(在下一步中)為“ (Vkefp-Vkefn)/22”或“3 (Vkefp-Vkefn)/22”。當(dāng)?shù)谝粎⒖茧妷骸?Vkefp-Vkefn)/2”提供至功能電容器陣列420時，如果比較器410的輸出為“0”，則第一參考電壓“(Vkefp-Vkefn)/2”大于“VIN”，并且第二參考電壓應(yīng)當(dāng)降低至“ (Veefp-Veefn) If ”；如果比較器410的輸出為“ I ”，則第一參考電壓“ (Veefp-Veefn) /2 ”小于“VIN”，并且第二參考電壓應(yīng)當(dāng)升高至“3(Vkefp-Vkefn)/22”。誤差修正電壓由校準(zhǔn)電容器陣列430提供并用來補(bǔ)償由功能電容器陣列420中偏移和/或電容器失配引起的參考電壓誤差。功能電容器陣列420的輸出421連接至比較器410的負(fù)輸入411，校準(zhǔn)電容器陣列430的輸出431連接至比較器410的正輸入412。輸出421和431之間的差確定比較器輸出414，比較器輸出414在正常轉(zhuǎn)換模式中反饋至控制邏輯440，以控制執(zhí)行對分搜索算法的逐次逼近寄存器(SAR) 441，并且比較器輸出414在校準(zhǔn)模式中反饋至校準(zhǔn)邏輯450以控制誤差搜索過程并形成存儲在DFF陣列451中的誤差修正編碼。為了實現(xiàn)高分辨率同時保持管芯尺寸盡可能小，功能電容器陣列420和校準(zhǔn)電容器陣列430 二者的每一個都分成兩部分(參見圖5):粗略電容器陣列423和533，以及精細(xì)電容器陣列424和534，每個陣列包括如圖5所示的多個二進(jìn)制加權(quán)電容器。粗略功能電容器陣列423中的二進(jìn)制加權(quán)電容器單元526的頂部電極板522共同連接至耦合電容器“C。fun?！钡牡撞侩姌O板570。精細(xì)功能電容器陣列424中的二進(jìn)制加權(quán)電容器單元527的頂部電極板522共同連接至耦合電容器“C。fun?！钡捻敳侩姌O板572。功能電容器陣列420中的每個電容器單元526和527的底部電極板524連接至多個開關(guān)573，574和575的一個端子，并且這些開關(guān)573，574和575的其他端子分別在采樣時鐘“clk_sig”以及來自控制邏輯440中的SAR 441的數(shù)字位“b〈i>”和“bn〈i>”的控制下，分別連接至模擬輸入“VIN”、正參考電壓“VP”和負(fù)參考電壓“V/。粗略功能電容器陣列423中的二進(jìn)制加權(quán)電容器單元526由“b〈n-l:0>”中的“n-m”個MSB(最高有效位)控制，精細(xì)功能電容器陣列424中的二進(jìn)制加權(quán)電容器單元527由“m”個LSB (最低有效位)控制，其中“η”為圖4中示出的SARADC 400的分辨率。粗略校準(zhǔn)電容器陣列533中的二進(jìn)制加權(quán)電容器單元580的頂部電極板543共同連接至耦合電容器“C。Ml”的底部電極板590?！癈?！钡碾娙莸扔凇?； fun?！钡碾娙?。粗略校準(zhǔn)電容器陣列533中的二進(jìn)制加權(quán)電容器單元580的底部電極板546共同連接至交流地，如負(fù)參考電壓“VN”。精細(xì)校準(zhǔn)電容器陣列534分成偏移校準(zhǔn)陣列536、耦合電容器校準(zhǔn)陣列537和多個MSB電容器校準(zhǔn)陣列538。校準(zhǔn)陣列536，537和538每一個由一個次級主校準(zhǔn)陣列和一個次級輔助校準(zhǔn)陣列組成，如圖6a-c所示?！癒—”，“K。。。”和“Kmsb”分別為偏移校準(zhǔn)位、耦合電容器“C。fun?！毙?zhǔn)位和MSB校準(zhǔn)位的數(shù)量。校準(zhǔn)陣列536，537和538中的每一個的二進(jìn)制加權(quán)電容器單元的頂部電極板544共用連接至耦合電容器“C。Ml”的頂部電極板592的同一節(jié)點。校準(zhǔn)陣列536，537和538中的每一個的二進(jìn)制加權(quán)電容器單元645的每個底部電極板545連接至多個開關(guān)，所述多個開關(guān)用于分別在“V?！狫Vlfsta in'“V。。。—in”、“Vmsb—in(i) ”的模擬預(yù)設(shè)值以及正參考電壓“VP”和負(fù)參考電壓“VN”之間切換(參見圖 6a_c)。校準(zhǔn)程序從誤差檢測過程開始，誤差檢測過程順序地檢測偏移誤差、耦合電容器失配誤差和MSB電容器失配誤差，如圖7所示，并將誤差系數(shù)存儲在諸如DFF陣列451之類的存儲單元中，在誤差檢測過程之后是誤差修正過程，誤差修正過程是在正常轉(zhuǎn)換模式期間發(fā)生的。ADC 400具有兩種操作模式校準(zhǔn)模式和正常轉(zhuǎn)換模式。在ADC 400進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換(正常轉(zhuǎn)換模式)之前，最初必須校準(zhǔn)ADC 400。在校準(zhǔn)模式中，誤差檢測過程確定必要的誤差修正編碼。隨后操作開關(guān)到正常轉(zhuǎn)換模式。在正常轉(zhuǎn)換模式中，功能電容器陣列420提供參考電壓電平以逐步逼近模擬輸入電壓，并且大致同時地，校準(zhǔn)電容器陣列430基于誤差修正編碼提供誤差修正電壓以補(bǔ)償每種誤差。校準(zhǔn)程序從圖7中示出的誤差檢測過程700開始。在步驟710中，進(jìn)行偏移檢測過程，并且如果在步驟720中，確定偏移誤差編碼，則在步驟730中存儲偏移誤差編碼。接下來在步驟740中，進(jìn)行耦合電容器失配檢測過程，并且如果在步驟750中，確定耦合電容器失配編碼，則在步驟760中存儲耦合電容器誤差編碼。隨后在步驟770中，進(jìn)行MBS電容器失配誤差檢測過程，并且如果在步驟780中，確定MSB電容器失配誤差，則在步驟790中存儲MSB電容器誤差編碼。
在步驟710中的偏移檢測過程期間，模擬輸入“VIN”被設(shè)置為等于負(fù)參考電壓“VN”，至功能電容器陣列420的數(shù)字輸入“b〈n-l:0>”被設(shè)置為接地。連接至比較器輸入411和節(jié)點“Af”的開關(guān)” swl"和“sw2”打開(參見圖5)，分別設(shè)置粗略功能電容器陣列423和精細(xì)功能電容器陣列424中的電容器526和527的頂部電極板522至恒定電壓”V。/和“Vrstl，，。同時，電容器526和527的底部電極板524連接至“VIN”。隨后開關(guān)”swl”和“sw2”關(guān)斷，留下比較器輸入411和節(jié)點“AF”浮置，并且底部電極板524被切換至負(fù)參考電壓“VN”，位“b〈n-l: 0>”被設(shè)置為“O”。底部電極板524處的電壓變化“(Vn-Vin) + AVI”耦合至比較器410的負(fù)輸入411，其中“ Vn-Vin = O”和“ AVI”為由連接至底部電極板524的開關(guān)573，574和575的電荷注入效應(yīng)和時鐘饋通效應(yīng)引起的偏移電壓。連接至比較器輸入412和節(jié)點“BF”的開關(guān)“sw3”和“sw4”與開關(guān)”swl”和“sw2”同步，將粗略校準(zhǔn)電容器陣列533和精細(xì)校準(zhǔn)電容器陣列534中的電容器580的頂部電極板543和電容器645的頂部電極板544分別設(shè)置為恒定電壓“V。/和“V t2”。同時，精細(xì)校準(zhǔn)電容器陣列534中的每個電容器645的底部電極板545連接至等于“(Vp+Vn)/2” (Vofstm in = Vofsta in = (VP+VN)/2)的電壓。當(dāng)開關(guān)“sw3”和“sw4”關(guān)斷時，次級主偏移校準(zhǔn)陣列621和次級輔助偏移校準(zhǔn)陣列622的底部電極板545被充電至相反的參考電壓(“VP”和“VN”)，以補(bǔ)償彼此之間的電壓變化，并使比較器正輸入412處的電壓變化接近零。這是偏移校準(zhǔn)電容器陣列536的初始狀態(tài)設(shè)置。這確保圖5中的節(jié)點“BF”處的初始電壓變化在“sw3”和“sw4”處于關(guān)斷位置時為零。初始狀態(tài)中的比較器輸出414表示被命名為aDPtjffset”的偏移電壓的極性?！癉P.et”存儲在DFF(數(shù)據(jù)觸發(fā)器)陣列451中。隨后次級輔助偏移校準(zhǔn)陣列622中的所有電容器的底部電極板545保持設(shè)定參考電壓，同時次級主偏移校準(zhǔn)陣列621中的每個電容器單元645的底部電極板545被切換至由比較器差分輸入“ Λ Voff = Vbc-Vac"的符號確定的正/負(fù)參考電壓，一個接一個地從“C”到“2(κ° 3Η)(”，在比較器輸入412(節(jié)點“Bc”)處針對“ AVtjff < O”產(chǎn)生圖Sb中示出的躍遷電壓，針對“ AVtjff > O”產(chǎn)生圖Sc中示出的躍遷電壓，該躍遷電壓接近比較器輸入411 (節(jié)點“Ac”)處的電壓，其中“ AVtjff = AV1+AV2+AV3” ( “ AV2”表示由開關(guān)“swl”和“sw3”的電荷注入效應(yīng)和時鐘饋通效應(yīng)之間的失配引起的偏移電壓，“ Λ V3”表示涉及比較器輸入的偏移)。圖8a示出“ Λ Vtjff = O”。比較器410將每個躍遷電壓與比較器輸入411 (節(jié)點“Ac”)處的電壓進(jìn)行比較，直到比較器410的輸出414轉(zhuǎn)換?？刂七B接至次級主偏移校準(zhǔn)陣列621中的電容器645的底部電極板545的開關(guān)694和695的最終數(shù)字編碼· · Cb^fstm0"為偏移誤差系數(shù)。偏移誤差系數(shù)存儲在DFF陣列451中。比較器輸入411和412處顯現(xiàn)的最終差分電壓為由被校準(zhǔn)分辨率確定的數(shù)字化校準(zhǔn)臺階大小引起的校準(zhǔn)誤差。 在偏移檢測之后，耦合電容器“C。fm?！?(參見圖5)校準(zhǔn)開始。假設(shè)來自精細(xì)功能電容器陣列424中的電容器527和粗略功能電容器陣列423中的由最低有效位“b〈m>”控制的標(biāo)記為“C”的電容器的所有失配誤差滿足分辨率要求，并且正在校準(zhǔn)電容器都在粗略功能電容器陣列423中。這種假設(shè)是合理的，因為精細(xì)功能電容器陣列424中的失配誤差在它被饋送至比較器輸入411之前除以粗略功能電容器陣列423中單位電容器“C”的總數(shù)量“2n_m” (其中“η”為ADC 400的分辨率，“m”為精細(xì)功能電容器陣列424的分辨率)，而粗略功能電容器陣列423中的失配誤差沒有縮小地直接添加至比較器輸入411。在耦合電容器” Ccjm?！毙?zhǔn)期間，模擬輸入“VIN”接地。開關(guān)” swl ”和“sw2”打開，迫使比較器輸入411和節(jié)點“Af”分別達(dá)到恒定電壓” V。/和“V tl”。至粗略功能電容器陣列423的數(shù)字輸入“b〈n-l:m>”被設(shè)置為“0”，將粗略功能電容器陣列423中的電容器526的底部電極板524充電至負(fù)參考電壓“VN”。至精細(xì)功能電容器陣列424的數(shù)字輸入“b〈m-l:0>”被設(shè)置為“I”，將精細(xì)功能電容器陣列424中的電容器527的底部電極板524充電至正參考電壓“V/’。當(dāng)“swl”和“sw2”從打開切換至關(guān)斷時，至粗略功能電容器陣列423的數(shù)字輸入“b〈n-l:m+l>”保持為“O”，并且位“b〈m>”(粗略功能電容器陣列423中的最低有效位)從“O”切換至“ I ”，將由“b〈m>”控制的電容器單元的底部電極板524連接改變至正參考電壓“V/’。至精細(xì)功能電容器陣列424的數(shù)字輸入“13〈111-1:0>”從“1”切換至“0”，將精細(xì)功能電容器陣列424中的電容器單元的底部電極板連接524改變至負(fù)參考電壓“V/。在切換中涉 及的數(shù)字位“b〈m:0>”在比較器輸入411(節(jié)點“Ac”)處引起“1LSB”電壓變化，如圖9a所示，其中“1LSB”定義為“(VP-VN)/2n”，其中η為ADC 400的分辨率。在比較器輸入411 (節(jié)點“Ac”)處呈現(xiàn)的另一個電壓變化“ AVc”源自耦合電容器“C。fm?！钡氖?。開關(guān)“sw3”和“sw4”與開關(guān)” swl”和“sw2”同步，將粗略校準(zhǔn)電容器陣列533和精細(xì)校準(zhǔn)電容器陣列534 二者中的電容器580和645的頂部電極板543和544分別設(shè)置到恒定電壓“V ”和“Vret2”。同時，精細(xì)校準(zhǔn)電容器陣列534中的每個電容器645的底部電極板545連接至等于“ (Vp+Vn)/2”的電壓。當(dāng)開關(guān)“sw3”和“sw4”關(guān)斷時，次級主耦合電容器校準(zhǔn)陣列631和次級輔助耦合電容器校準(zhǔn)陣列632的底部電極板545被充電至相反的參考電壓“VP”和“VN”，將比較器輸入412(節(jié)點“Bc”)處呈現(xiàn)的來自耦合電容器校準(zhǔn)陣列的電壓變化平衡為接近零。這是用于耦合電容器校準(zhǔn)陣列537的初始狀態(tài)設(shè)置。初始狀態(tài)中的比較器輸出414表示被命名為“DP。?！钡摹癈。fun。”失配的初始極性。它被存儲在DFF 451中。隨后，偏移補(bǔ)償電壓“ AU由偏移校準(zhǔn)陣列536根據(jù)DFF陣列451中存儲的偏移誤差系數(shù)產(chǎn)生并提供在比較器輸入412 (節(jié)點“B。”)處以去除偏移誤差。次級輔助耦合電容器校準(zhǔn)陣列632中的所有電容器645的底部電極板545保持初始狀態(tài)中設(shè)置的參考值，而次級主耦合電容器校準(zhǔn)陣列631中的每個電容器單元645的底部電極板545切換至由比較器差分輸入411和412的初始極性確定的正/負(fù)參考電壓，一個接一個地從“C”到I(kc^1)C'其中“K。。?！睘椤癈。—fun。”校準(zhǔn)位的數(shù)量，以在比較器輸Λ 412 (節(jié)點“Bc”)處產(chǎn)生躍遷電壓，該躍遷電壓接近圖9b和9c中示出的比較器輸入411(節(jié)點“A?！?處的電壓。比較器410將每個躍遷電壓與比較器輸入411(節(jié)點“Ac”)處的電壓進(jìn)行比較，直到它的輸出轉(zhuǎn)換。隨后通過減小/增加至次級主耦合電容器校準(zhǔn)陣列631的數(shù)字輸入“Cb_CpCm〈KCpC-l:0>”，臺階曲線在“C。fun。< Ccideal"(其中“C。—”為“C。fm?！钡念A(yù)期值)時變?yōu)槿鐖D9(b)中所示的相反方向，或者在“C?！猣m。> Ccideal"時變?yōu)槿鐖D9(c)所示的相同方向，以在比較器輸入411 (節(jié)點“Ac”)和比較器輸入412 (節(jié)點“Bc”)之間形成約“1LSB”的差異，其中考慮校準(zhǔn)誤差。注意到，"Ac-Bc = 1LSB”為理想情況。由于校準(zhǔn)臺階大小不是無窮小的，因此，實際情況是“A「Bc =ILSB-誤差”。在圖9b中，由“1LSB”指示的范圍包括節(jié)點“Ac”和節(jié)點“B?！敝g的電壓差和“誤差”兩者。失配誤差的最終極性在所述曲線保持初始方向時與初始極性相同，在所述曲線變?yōu)橄喾捶较驎r與初始極性相反，最終的電壓電平低于其初始值?？刂七B接至次級主耦合電容器校準(zhǔn)陣列631中的電容器645的底部電極板545的開關(guān)674和675的最終數(shù)字編碼. . cb_cpcm(l”為耦合電容器失配誤差系數(shù)。它們被存儲在DFF陣列451中。一旦進(jìn)行耦合電容器失配誤差檢測，則校準(zhǔn)邏輯450內(nèi)置的狀態(tài)機(jī)開始MSB(最高有效位)電容器失配誤差檢測。假設(shè)在粗略功能電容器陣列423中存在“L”個需要校準(zhǔn)的電容器單元。它們分別被命名為“2η_·^土 ACnI1^t2C土 ACn_m_2. . . 2n_m_LC± ACn_mV’并分別由數(shù)字位“bn_1; bn_2. . . bn_J控制。MSB失配誤差檢測過程770從在最低位“bn_J的控制下搜索電容器單元的失配開始，并且一個接一個地進(jìn)行到處于最高有效位“bn_i ”的控制下的電容器單元。在位bg的控制下針對具有值的電容器的“ ACn_mV’(定義為“ A Cn_ffl_L = Z1^LC-Cw1-1deal”，其中“C-—ideal”為“2n_-_Lc”的理論值)失配誤差檢測過程中，模擬輸入“VIN”接地。當(dāng)開關(guān)” swr’和“SW2”打開時，功能電容器陣列420的粗略電容器陣列423和精細(xì)電容器陣列424的頂部電極板522分別被設(shè)置為恒定電壓“V。/和“Vrstl，，。至功能電容器陣列420的數(shù)字輸入“b〈n-l:0>”被設(shè)置為“000. 0111. 1”，其中低于“bnV’的數(shù)字位被設(shè)置為“ I”，位“bnV’以及高于“bn-L”的位被設(shè)置為“O”。因此，由數(shù)字位“b〈n-L-l: 0>”控制的電容器單元的底部電極板524被充電至正參考電壓電平“V/’，由數(shù)字位“b〈n-l:n-L>”控制的電容器單元的底部電極板524被充電至負(fù)參考電壓電平“V/，。當(dāng)開關(guān)” swl"和“sw2”從打開狀態(tài)切換至關(guān)斷狀態(tài)時，數(shù)字輸入“b〈n-l :0>”切換至“000. 1000. 0”，其中低于“bn_L”的數(shù)字位從“I”切換至“0”，位“bn_L”從“0”切換至“1”，高于“bnV’的位保持其初始設(shè)定。因此，由數(shù)字位“b〈n-L-l:0>”控制的電容器單元的底部電極板524放電至負(fù)參考電壓電平“VN”，由“bg”控制的電容器單元的底部電極板524被充電至正參考電壓電平“V/’。由數(shù)字位“b〈n-l:n-L+l>”控制的電容器單元的底部電極板524保持其初始連接。由“n-L+1”電容器單元底部電極板連接切換引起的耦合至比較器輸入411 (節(jié)點“Ac”)的總電壓等于“ ILSB+ A Vn_L+ A Voff+ A Vc”，其中分別地，“ ILSB"源自一位數(shù)字輸入變化(“0001000. ..0”- “000. ..0111...1”= 1)，“ AVn:為源自電容器失配“ A Cn_mV’的誤差電壓，“ A Voff+ A Vc”分別為系統(tǒng)偏移和耦合電容器失配誤差。開關(guān)“sw3”和“sw4”與開關(guān)” swl”和“sw2”同步。當(dāng)“sw3”和“sw4”打開時，校準(zhǔn)陣列430中的電容器單元的頂部電極板543和544分別被設(shè)置為恒定電壓“V。/和“V ret2”。精細(xì)校準(zhǔn)電容器陣列534中的每個電容器645的底部電極板545連接至等于“(VP+VN)/2”的電壓。當(dāng)開關(guān)“sw3”和“sw4”關(guān)斷時，次級主“bnV’MSB電容器校準(zhǔn)陣列641和次級輔助“bnV’MSB電容器校準(zhǔn)陣列642的底部電極板545被充電至相反的參考電壓，將在比較器輸入412 (節(jié)點“Bc”)處呈現(xiàn)的來自“bn_jMSB電容器校準(zhǔn)陣列538的電壓變化平衡為接近零。它稱為用于“bn_jMSB電容器校準(zhǔn)陣列538的初始狀態(tài)設(shè)置。初始狀態(tài)中的比較器輸出414表示被
命名為“ DPmsb (n-m-L)
”的“ A Cn-m-L”失配的初始極性。它被存儲在DFF陣列451中。

隨后，分別由偏移校準(zhǔn)陣列536和耦合電容器校準(zhǔn)陣列537根據(jù)存儲在DFF陣列451中并在比較器輸入412 (節(jié)點“B?！?提供的偏移誤差系數(shù)和耦合電容器失配誤差系數(shù)產(chǎn)生偏移和耦合電容器失配補(bǔ)償電壓“ AVtjff”和“ AVc”，以去除系統(tǒng)性的偏移和耦合電容器“C。fun?！笔湔`差。次級輔助“bn_J電容器校準(zhǔn)陣列642中的所有電容器645的底部電極板545保持初始狀態(tài)中設(shè)置的參考電壓，而次級主“bn_J電容器校準(zhǔn)陣列641中的每個電容器單元645的底部電極板545切換至由比較器差分輸入411和412的初始極性確定的正/負(fù)參考電壓，一個接一個地從“C”到使得比較器輸入412 (節(jié)點“Bc” )處的躍遷電壓接近比較器輸入411 (節(jié)點“A?！?處的電壓，如圖9a所示。比較器410將每個躍遷電壓與比較器輸入411(節(jié)點“A?！?處的電壓進(jìn)行比較，直到它的輸出轉(zhuǎn)換。隨后，通過減小/增加至次級主MSB校準(zhǔn)陣列641的數(shù)字輸入“。!^!!^!^]^“+)-!). . . cb_msbm(l”,臺階區(qū)域在“ AC1^nrt > 0”時變?yōu)槿鐖D9(b)所示的相反方向，或者在“ AC1^nrt < 0”時變?yōu)槿鐖D9(c)所示的相同方向，以在比較器輸入411(節(jié)點“Ac”)和比較器輸入412(節(jié)點“Bc”)之間形成包括校準(zhǔn)誤差的約“1LSB”的差異。失配誤差的最終極性在所述曲線保持初始方向時與初始極性相同，在所述曲線變?yōu)橄喾捶较驎r與初始極性相反，并且最終電壓電平低于其初始值?？刂七B接至次級主“bn_jMSB電容器校準(zhǔn)陣列641中的電容器645的底部電極板 545 的開關(guān) 684 和 685 的最終數(shù)字編碼 “cbjnstvo^^tU-D. . . cb_msbm(l” 為 “ A失配誤差系數(shù)。它們被存儲在DFF陣列451的單獨位置中。注意到，“n”為ADC 400的分辨率，“m”為精細(xì)電容器陣列424和534的分辨率，“n-m”為粗略電容器陣列423和533的分辨率?！癓”為需要被校準(zhǔn)的MSB的數(shù)量。典型地，處于校準(zhǔn)的位從MSB到LSB。例如，對于12位分辨率(位〈11:0>)ADC，需要校準(zhǔn)4位。這4位是位〈11>，位〈10>，位〈9>和位〈8>。如圖5所示，在MSB位<n-l>的控制下的電容器值為因此用于校準(zhǔn)的在接下來的MSB =MSB位<n-2>. . . MSB位<n_L>的控制下的電容器為2n_m_2C，2n_m_3C，. . . 電容器。電容器和具有下標(biāo)n-m-L的校準(zhǔn)位表示需要校準(zhǔn)的最后一個MSB?！癒msb”表示每個MSB的校準(zhǔn)位的數(shù)量。例如，“Kmsb (n-m-1) ”表示在MSB位<n-l>的控制下的電容器In-nriC^的校準(zhǔn)位的數(shù)量，“Kmsb (n-m-L) ”表示在MSB位<n_L>的控制下的電容器In-nrtC”的校準(zhǔn)位的數(shù)量。從“b〈n-L+l>” (較低 MSB)至 “b〈n_l>” (較高 MSB)逐位地針對 “b〈n_l，n_L+l>”電容器單元中的剩余部分重復(fù)相同的過程進(jìn)行失配誤差檢測，例外的是必須在形成用于當(dāng)前MSB電容器單元的躍遷電壓搜索曲線之前由MSB校準(zhǔn)陣列538產(chǎn)生針對低于當(dāng)前正處于校準(zhǔn)的MSB的校準(zhǔn)MSB的失配補(bǔ)償電壓，MSB校準(zhǔn)陣列538被分配給校準(zhǔn)MSB并連接至具有相反極性的比較器輸入 412(節(jié)點“B?！?以補(bǔ)償來自校準(zhǔn)MSB電容器單元的失配。極性變化的原因在于，在校準(zhǔn)MSB電容器單元失配誤差檢測過程中，至控制校準(zhǔn)MSB電容器單元的功能電容器陣列420的數(shù)字輸入從“0”切換至“1”，而在當(dāng)前MSB電容器單元失配誤差檢測過程中，這些數(shù)字輸入從“I”切換至“O”。一旦已經(jīng)檢測所有的MSB電容器單元失配誤差，則針對不同MSB電容器單元的誤差系數(shù)存儲在DFF陣列451的不同位置中。在正常轉(zhuǎn)換模式中，與針對偏移和耦合電容器失配的誤差系數(shù)組合的這些誤差系數(shù)用來控制MSB校準(zhǔn)陣列538、偏移校準(zhǔn)陣列536和耦合電容器校準(zhǔn)陣列537，將誤差補(bǔ)償電壓提供至比較器正輸A 412。B.誤差修正誤差修正過程結(jié)合在正常轉(zhuǎn)換模式中。在正常轉(zhuǎn)換模式中，功能電容器陣列420作為電容性DAC工作，其在SAR邏輯441的控制下將模擬輸入和參考電平之間的差提供至比較器410的負(fù)輸入411。校準(zhǔn)電容器陣列430作為校準(zhǔn)DAC工作，其在校準(zhǔn)邏輯450的控制下提供誤差修正電壓至比較器410的正輸入412。誤差修正電壓補(bǔ)償系統(tǒng)偏移、耦合電容器失配、以及比較器410的差分輸入411和412處的MSB電容器單元失配，并保持比較器輸出414不存在誤差。詳細(xì)操作如下。在采樣模式中，由“clk_sig” 573控制的開關(guān)打開，并且正在轉(zhuǎn)換的模擬輸入被米樣至功能電容器陣列420中的電容器526和527的底部電極板524。通過如圖5所示打開開關(guān)” swl”和“sw2”，頂部電極板522分別被設(shè)置為恒定電壓” V ”和“Vretl”。當(dāng)切換至比較模式時，開關(guān)”swl”和“sw2”關(guān)斷，功能電容器陣列420中的電容器526和527的底部電極板524基于數(shù)字位“bn_i，. . . k”設(shè)置被切換至正/負(fù)參考電壓。當(dāng)數(shù)字位被設(shè)置為“ I ”時，連接至正參考電壓“VP”的開關(guān)574打開。當(dāng)數(shù)字位被設(shè)置為“0時，連接至負(fù)參考電壓“VN”的開關(guān)575打開。位”的每種組合決定一種參考電平。參考電平逐步逼近模擬輸入。對于每一步，模擬輸入和參考電平之間的差耦合至比較器負(fù)輸入411(節(jié)點“A。”)。通過在采樣模式中與開關(guān)” swl”和“sw2”同時打開開關(guān)“sw3”和“sw4”，粗略校準(zhǔn)陣列533中的電容器580的頂部電極板543和精細(xì)校準(zhǔn)陣列534中的電容器645中的頂部電極板544分別被設(shè)置為“V ”和“V t2”，通過在比較模式中關(guān)斷開關(guān)“sw3”和“sw4”，粗略校準(zhǔn)陣列533中的電容器580的頂部電極板543和精細(xì)校準(zhǔn)陣列534中的電容器645中的頂部電極板544被保持浮置。從不同的校準(zhǔn)陣列536和538產(chǎn)生的誤差修正電壓耦合至與對分搜索過程同步的比較器正輸入412 (節(jié)點“B?！?)，并與負(fù)輸入411 (節(jié)點“Ac”)處存在的躍遷電壓進(jìn)行比較。 偏移校準(zhǔn)陣列536在整個對分搜索過程中提供偏移修正電壓至比較器410的正輸入412。在采樣模式中，次級主偏移校準(zhǔn)陣列621中的電容器的底部電極板545經(jīng)由開關(guān)693連接至UVtjfstm in”。UVtjfstm in”在偏移極性指示位"DPtjffse/為“0”時被設(shè)置為負(fù)參考電壓“V，，或者在偏移極性指示位“DPfw ”為“ I ”時被設(shè)置為正參考電壓“V/’。在比較模式中，次級主偏移校準(zhǔn)陣列621中的電容器645的底部電極板545或者在控制連接至底部電極板545的開關(guān)694和695的偏移誤差系數(shù)位為“0”時保持初始參考電平，或者在控制連接至底部電極板545的開關(guān)693，694和695的偏移誤差系數(shù)位為“I”時被充電至與初始設(shè)置相反的參考電平。由次級主偏移校準(zhǔn)陣列541中的電容器645的底部電極板545處的連接變化引起的電壓變化耦合至比較器輸入412(節(jié)點“B?！?，形成偏移誤差修正電壓。不存在源自次級輔助偏移校準(zhǔn)陣列622的偏移補(bǔ)償，因為在正常轉(zhuǎn)換模式中不存在電容器切換操作。如圖10所示，通過使調(diào)整電容器“C。與耦合電容器“C。fun。”并聯(lián)，并且采用由位“ctrl_ni”和“ctrl_Pi”(其中i = 0，1. . .Kcpc-1)控制的開關(guān)1100和1200分別連接至耦合電容器“C。fun?！保梢孕?zhǔn)耦合電容器“C。fm?！笔??！癈trl_ni”和“ctrl_Pi”的極性(“0”或“I”)由被分配至“Ctrl_ni”和“ctrl_Pi”的耦合電容器誤差系數(shù)位“Cb_CpCm⑴”和DFF陣列451中存儲的最終失配極性位“DP。。”確定。在正常模數(shù)轉(zhuǎn)換期間，極性“ctrl_ni”或“ctrl_Pi”與“cb_CpCni⑴”和“DP。。”之間的關(guān)系如下。最初，所有的“Ctrl_ni”被設(shè)置為“1”，打開所有的開關(guān)1100，以將由“ctrUii”控制的調(diào)整電容器“C。_”與“C。fun。”并聯(lián)連接，并且所有的“ctrl_Pi”被設(shè)置為“0，關(guān)斷所有的開關(guān)1200，以將由“ctrl_Pi”控制的調(diào)整電容器“C。tHm”與耦合電容器“C。fun?！睌嚅_。在正常模數(shù)轉(zhuǎn)換期間，當(dāng)“DP。?！睘榈颓冶环峙渲痢癱trl_Pi”的對應(yīng)耦合電容器誤差系數(shù)位“cb_CpCni(i) ”被設(shè)置為“ I”時，“ctrl_Pi”被設(shè)置為“1”，打開開關(guān)1200并連接由“ctrl_Pi”控制的調(diào)整電容器“C。_”。當(dāng)“DPC?！睘楦咔冶环峙渲痢癈trl_ni”的對應(yīng)耦合電容器誤差系數(shù)位“Cb_CpCm⑴”被設(shè)置為“I”時，“Ctrl_ni”被設(shè)置為“0，關(guān)斷開關(guān)1100并斷開由“Ctrl_ni”控制的調(diào)整電容器“C。_”。當(dāng)被分配至“ctrl_Pi”和“Ctrlni”的耦合電容器誤差系數(shù)位“cb_CpCni(i) ”被設(shè)置為“0”時，由“ctrl_Pi ”和“ Ctrlni ”控制的調(diào)整電容器“C。taini”保持其初始狀態(tài)(連接或斷開)。在不同于偏移和耦合電容器失配補(bǔ)償方案的對分搜索過程期間，MSB的失配誤差修正電壓隨著MSB值變化而變化。在功能電容器陣列420從采樣模式切換至比較模式并在整個轉(zhuǎn)換期間保持恒定時，產(chǎn)生補(bǔ)償電壓。如圖4所示，處于校準(zhǔn)的MSB “b〈n-l:n-L>”從控制邏輯440中的SAR 441產(chǎn)生并被傳送至校準(zhǔn)邏輯450，以形成數(shù)字控制信號455?？刂菩盘?55提供至MSB校準(zhǔn)陣列538以控制連接在正/負(fù)參考電壓和校準(zhǔn)陣列538中的電容器645的底部電極板545之間的開關(guān)。由于正常轉(zhuǎn)換模式中的MSB電容器單元失配誤差修正程序?qū)τ诓煌腗SB校準(zhǔn)陣列都是相同的，因此位“b〈i>”校準(zhǔn)陣列538作為示例用來詳細(xì)說明MSB校準(zhǔn)陣列538操作。類似于圖6a中示出的偏移校準(zhǔn)陣列536，“b〈i>”校準(zhǔn)陣列538分成圖6c中示出的次級主校準(zhǔn)陣列641和次級輔助校準(zhǔn)陣列642。校準(zhǔn)陣列538中的電容器645的底部電極板545連接至開關(guān)683，684和685。開關(guān)684和685由控制信號“cbjnsb^IU⑴_1:0>”控制，控制信號“cbjiisb^IU⑴_1:0>”由DFF陣列451中存儲的“b〈i>”誤差修正位確定。對于電容器單元“Ci”的對應(yīng)于功能電容器陣列420中的位“b〈i>”的不同失配極性“DPmsb(i) ”值，在“b〈i>”次級主校準(zhǔn)陣列641和“b〈i>”次級輔助校準(zhǔn)陣列642中涉及不同的操作。當(dāng)“DPmsb⑴”為“0”時(定義為Ci >Cii，其中“Cii”為“Ci”的預(yù)期值(預(yù)期值是針對b〈i>的沒有失配的電容器值)，誤差修正電壓從“b〈i>”次級主校準(zhǔn)陣列641產(chǎn)生，并且在“b〈i>”次級輔助校準(zhǔn)陣列642中不出現(xiàn)任何操作。當(dāng)“DPmsb⑴”為“I”時(定義為Ci < Cii)，誤差修正電壓根據(jù)“b〈i>”的狀態(tài)從“b〈i>”次級主校準(zhǔn)陣列641或“b〈i>”次級輔助校準(zhǔn)陣列642產(chǎn)生。當(dāng)“b〈i>”被設(shè)置為“I”時，誤差修正電壓從“b〈i>”次級主校準(zhǔn)陣列641產(chǎn)生；當(dāng)“b〈i>”被設(shè)置為“0”時，誤差修正電壓從“b〈i>”次級輔助校準(zhǔn)陣列642產(chǎn)生。當(dāng)確定開關(guān)684和685的控制信號“cbjnsb^IU⑴-1: 0>”的極性的誤差修正位被設(shè)置為“I”時，在誤差修正電壓產(chǎn)生操作中僅分別涉及次級主校準(zhǔn)陣列641和次級輔助校準(zhǔn)陣列642 二者中的電容器單元645。詳細(xì)操作如下。情況I A Ci = C1-Cii > 0在采樣模式中，“b〈i>”次級主校準(zhǔn)陣列641中的電容器645的底部電極板545在對應(yīng)于電容器645的誤差修正位被設(shè)置為“ I ”時連接至模擬輸入“Vin”，并且在對應(yīng)于電容器645的誤差修正位被設(shè)置為“0”時連接至負(fù)參考電壓“VN”。在比較模式中，對應(yīng)誤差修正位設(shè)置為“I”的“b〈i>”次級主校準(zhǔn)陣列641中的電容器645的底部電極板545在“b〈i>”為“I”時切換至正參考電壓，或者在“b〈i>”為“0”時切換至負(fù)參考電壓。對應(yīng)誤差修正位設(shè)置為“0”的“b〈i>”次級主校準(zhǔn)陣列中的電容器645的底部電極板545保持負(fù)參考電壓連接?！癰〈i>”次級輔助校準(zhǔn)陣列642中的電容器646的底部電極板545在整個轉(zhuǎn)換過程中保持負(fù)參考電壓連接。因此，如 果最終的“b〈i>”為“ I ”，則“b〈i>”次級主校準(zhǔn)陣列641中的在底部連接切換中涉及的電容器645的底部電極板545處的電壓變化為“VP-VIN” ；如果最終的“b〈i>”為“0”，則“b〈i>”次級主校準(zhǔn)陣列641中的在底部連接切換中涉及的電容器645的底部電極板545處的電壓變化為“Vn-Vin”?！癰〈i>”次級輔助校準(zhǔn)陣列642中的所有的電容器645的底部電極板545處的電壓變化為零。這與轉(zhuǎn)換模式中的功能電容器陣列420操作一致，其中當(dāng)“b〈i>”為“I”時，電容器單元“C/’的底部電極板524處的電壓變化為“VP-VIN” ；當(dāng)“b〈i>”為“0”時，電容器單元“Ci”的底部電極板524處的電壓變化為“Vn-Vin”?！癰〈i>”校準(zhǔn)陣列538中的電容器645的底部電極板545處的電壓變化耦合至與“b〈i>”轉(zhuǎn)換同步的比較器正輸入412，并且首先以精細(xì)校準(zhǔn)陣列430中的總電容按比例縮小，隨后以在比較器輸入412處呈現(xiàn)的總電容按比例縮小。由在功能電容器陣列420中切換的電容器單元“C/’引起的電壓變化耦合至與“b〈i>”轉(zhuǎn)換同步的比較器負(fù)輸入411，并且以在比較器輸入411 (節(jié)點“Ac”)處呈現(xiàn)的總電容按比例縮小。由于比較器輸入412(節(jié)點“Bc”)處存在的“b〈i>”誤差修正電壓具有相同的極性并且等于比較器輸入411處呈現(xiàn)的由“ A Ci，，引起的“ A V/’，因此“b〈i>”誤差修正電壓消除了比較器410的差分輸入411和412處的電容器單元“Ci”失配效應(yīng)，并且使比較器410的輸出414沒有誤差。情況II ACi = C1-Cii < 0在采樣模式中，“b〈i>”次級主校準(zhǔn)陣列641中的電容器645的底部電極板545在對應(yīng)于電容器645的“b〈i>”誤差修正位被設(shè)置為“I”時連接至正參考電壓“V/’，并且在對應(yīng)于電容器645的“b〈i>”誤差修正位被設(shè)置為“0”時連接至負(fù)參考電壓“V/。在比較模式中，當(dāng)“b〈i>”分別在“I”和“0”之間切換時，“b〈i>”次級主校準(zhǔn)陣列641中的對應(yīng)誤差修正位設(shè)置為“I”的電容器645的底部電極板545在模擬輸入“VIN”和正參考電壓“VP”之間切換?！癰〈i>”次級主校準(zhǔn)陣列641中的對應(yīng)誤差修正位設(shè)置為“0”的電容器645的底部電極板545保持負(fù)參考電壓連接。另一方面，在采樣模式中，對于“b〈i>”誤差修正位的“I”和“0”設(shè)置二者，“b〈i>”次級輔助校準(zhǔn)陣列642中的電容器645的底部電極板545最初連接至負(fù)參考電壓“V’。在比較模式中，當(dāng)“b〈i>”分別在“I”和“0”之間切換時，“b〈i>”次級輔助校準(zhǔn)陣列642中的對應(yīng)誤差修正位設(shè)置為“I”的電容器645的底部電極板545在模擬輸入“VIN”和負(fù)參考電壓“VN”之間切換?！癰〈i>”次級輔助校準(zhǔn)陣列642中的對應(yīng)誤差修正位設(shè)置為“0”的電容器645的底部電極板545保持負(fù)參考電壓連接。因此，如果最終的“b〈i>”為“1”，則“b〈i>”次級主校準(zhǔn)陣列641中的在底部連接切換中涉及的電容器645的底部電極板545處的電壓變化為“VIN-VP”，并且“b〈i>”次級輔助校準(zhǔn)陣列642中在底部連接切換中切換的電容器645的底部電極板545處的電壓變化為零。如果最終的“b〈i>”為“0”，則“b〈i>”次級主校準(zhǔn)陣列641中的在底部連接切換中涉及的電容器645的底部電極板545處的電壓變化為零，并且“b〈i>”次級輔助校準(zhǔn)陣列642中在底部連接切換中切換的電容器645的底部電極板545處的電壓變化為“Vin-Vn”。與功能電容器陣列420相比，來自功能電容器陣列420和校準(zhǔn)陣列430 二者的電壓變化具有極性相反的相同值，而在功能電容器陣列420中，當(dāng)“b〈i>”為“I”時，電容器單元“C/’的底部電極板524處的電壓變化為“VP-VIN”；當(dāng)“b〈i>”為“0”時，電容器單元“C/’的底部電極板524的電壓變化為“VN-VIN”?！癰〈i>”校準(zhǔn)陣列538中的電壓變化耦合至與“b〈i>”轉(zhuǎn)換同步的比較器正輸入411，并且首先以精細(xì)校準(zhǔn)陣列430中的總電容按比例縮小，隨后以比較器輸入412(節(jié)點“Bc”)處呈現(xiàn)的總電容按比例縮小。由在功能電容器陣列420中切換的電容器單元“Ci”引起的電壓變化耦合至與“b〈i>”轉(zhuǎn)換同步的比較器負(fù)輸入411，并且以在比較器輸入411 (節(jié)點“A。”)處呈現(xiàn)的總電容按比例縮小。比較器輸入412處給出的誤差修正電壓與比較器輸入411處存在的失配電壓的極性相反，該誤差修正電壓的引入增加了比較器410的差分輸入電壓并補(bǔ)償由< Cii”引起的差分電壓損失。
權(quán)利要求
1.一種自校準(zhǔn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括 比較器，具有 連接至第一電容器陣列的第一輸入，在第一采樣時鐘以及從逐次逼近寄存器接收的第一組多個數(shù)字位的控制下，接收第一模擬信號、第一正參考電壓和第一負(fù)參考電壓，并且進(jìn)行對分搜索； 連接至第二電容器陣列的第二輸入，在第二采樣時鐘以及從存儲誤差修正系數(shù)的陣列接收的第二組多個數(shù)字位的控制下，接收第二模擬信號、第二正參考電壓和第二負(fù)參考電壓，并且提供誤差補(bǔ)償信號；和 電耦合至數(shù)字邏輯和校準(zhǔn)邏輯的輸出端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中校準(zhǔn)邏輯控制偏移和電容器失配搜索過程。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述陣列存儲電容器失配系數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中第一電容器陣列包括第一組多個二進(jìn)制加權(quán)電容器，并分成第一粗略電容器陣列和第一精細(xì)電容器陣列，第一稱合電容器將第一精細(xì)電容器陣列電耦合至第一粗略電容器陣列。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中第一粗略電容器陣列中的多個電容器的頂部電極板電稱合至第一稱合電容器的第一端子和比較器的第一輸入。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中第一精細(xì)電容器陣列中的多個電容器的頂部電極板電耦合至第一耦合電容器的第二端子。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中第二電容器陣列分成第二粗略電容器陣列和第二精細(xì)電容器陣列，第二耦合電容器將第二精細(xì)電容器陣列電耦合至第二粗略電容器陣列。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中第二精細(xì)電容器陣列分成多個次級電容器陣列。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述多個次級電容器陣列包括偏移校準(zhǔn)陣列、耦合電容器失配校準(zhǔn)陣列和多個最高有效位電容器失配校準(zhǔn)陣列。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述多個次級電容器陣列中的每一個都分成主電容器陣列和輔助電容器陣列，每個陣列包括多個二進(jìn)制加權(quán)電容器。
11.一種校準(zhǔn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的偏移誤差的方法，包括下述步驟 將比較器的第一輸入節(jié)點和第二輸入節(jié)點初始化至共模電壓； 將大致等于負(fù)參考電壓的第一信號施加至第一電容器陣列中的所有電容器的底部電極板； 將大致等于負(fù)參考電壓的第二信號施加至第一電容器陣列中的電容器的底部電極板； 在比較器的第一輸入處產(chǎn)生誤差信號； 通過采用由偏移校準(zhǔn)陣列產(chǎn)生的步進(jìn)搜索電壓數(shù)字化誤差信號； 將誤差信號的數(shù)字表示存儲在陣列中；以及 將誤差信號的數(shù)字表示應(yīng)用于偏移校準(zhǔn)陣列以在比較器的第二輸入處產(chǎn)生偏移修正電壓。
12.—種校準(zhǔn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的系統(tǒng)偏移誤差、耦合電容器失配誤差和最高有效位(MSB)電容器失配誤差的方法,包括 在校準(zhǔn)邏輯的控制下通過采用偏移校準(zhǔn)陣列檢測和數(shù)字化系統(tǒng)偏移誤差，并將第一組誤差修正位存儲在陣列中； 在校準(zhǔn)邏輯的控制下通過采用耦合電容器失配校準(zhǔn)陣列檢測和數(shù)字化第一電容器陣列中的耦合電容器失配誤差，并將第二組誤差修正位存儲在所述陣列中； 在校準(zhǔn)邏輯的控制下通過采用MSB電容器失配校準(zhǔn)陣列從較低位到較高位逐個地檢測和數(shù)字化第一電容器陣列中的對應(yīng)的MSB電容器失配誤差，并將第三組誤差修正位存儲在所述陣列中； 在轉(zhuǎn) 換模式中采用第二組誤差修正位調(diào)整第一電容器陣列中的耦合電容器； 在轉(zhuǎn)換模式開始時施加偏移補(bǔ)償電壓；以及 施加與對應(yīng)的MSB變化同步的第三組誤差修正位。
全文摘要
公開了用于修正數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的偏移和線性度誤差的方法和裝置。電荷再分配數(shù)模轉(zhuǎn)換器(CDAC)連接至比較器的差分輸入中的一個，比較器的第二輸入來自CDAC。校準(zhǔn)算法內(nèi)置在數(shù)字控制單元中。數(shù)字控制單元順序地檢測偏移和電容器失配誤差，在校準(zhǔn)模式中存儲針對每個誤差的校準(zhǔn)編碼，并在正常轉(zhuǎn)換期間提供與對分搜索定時同步的輸入相關(guān)誤差修正信號以調(diào)整比較器的差分輸入，且補(bǔ)償非理想功能CDAC的輸出處存在的輸入相關(guān)誤差。
文檔編號H03M1/10GK103036564SQ201210365828
公開日2013年4月10日 申請日期2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月7日
發(fā)明者吳瓊, 凱文·馬胡提 申請人:Nxp股份有限公司