高精度模数混合SAR ADC校准算法.pdf

第 卷第 期 年 月南 京 邮 电 大 学 学 报（自 然 科 学 版）（）：高精度模数混合 校准算法孟苏祥，杨 华，张 瑛南京邮电大学 电子与光学工程学院、柔性电子（未来技术）学院，江苏 南京 南京邮电大学 集成电路科学与工程学院，江苏 南京()摘要：针对高速逐次逼近型模数转换器中的比较器失调和电容失配问题，设计一种模拟前端“粗”校准与数字后端“细”校准相结合的模数混合校准技术，对系统失调电压以及电容失配分别进行抵消、量化与补偿，从而在保证模数转换器采样速率的同时能够有效提高转换精度和信噪比。基于 位模数转换器对所提出的电路结构和校准算法进行了 行为级建模仿真，算法校准后在 采样率下信噪失真比达到 ，有效位数 ，分别比校准前提高 与。关键词：模数转换器；电容失配；失调电压；校准算法中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（），：（），“”“”，：；收稿日期：；修回日期：本刊网址：基金项目：国家自然科学基金（）资助项目作者简介：孟苏祥，男，硕士研究生；杨华（通信作者），女，博士，副教授，引用本文：孟苏祥，杨华，张瑛高精度模数混合 校准算法南京邮电大学学报（自然科学版），（）：逐 次 逼 近 型 模 数 转 换 器（，）利用二进制电容阵列充放电达到对输入信号的逐次逼近量化，其精度主要取决于比较器与电容阵列设计是否理想，想要精度高，电容的失配与寄生就要越小；受制于 的工作原理，若想实现 在 以上，必须解决电容失配以及比较器失调电压的问题。因为 是通过切换不同标称值电容阵列开关来实现比较器两端电压变化，从而对 量化，所以随机的电容失配会使 产生严重的非线性失真，同时微小的失调电压又会对电容校准产生相当大的影响，因此设计一种校准算法至关重要。叶圣兴采用最小均方根 算法，对电容失配进行不断迭代，通过添加扰动信号来更新电容权重，实现 的校准，但权重更新过程需要复杂计算，采样速率受到限制。符土建对处于亚稳态的比较器注入伪随机 码，对 失配进行校准，但其校准需要不断进行迭代，影响 速率。许卫明等在传统电容阵列中引入 电路组成混合结构，实现比较器失调自校准，但其额外添加的 电路极大地限制了 的速率。本文提出一种模拟前端校准与数字后端校准相配合的模数混合校准技术，利用补偿电容阵列对失调电压进行模拟补偿，余下失调电压以及电容失配量复用低位电容阵列逐次逼近产生失调与失配码，供数字后端对正常转换数字码进行高精度补偿，无需考虑算法不收敛的问题，相比 算法、伪随机码校验以及 结构电路校准技术，本文提出的技术具有更高的转换速率，同时效率也更高。中的传统校准方法 失调电压校准传统比较器失调校准结构如图 所示，失调电压采样阶段 闭合，打开，、存储电荷量为（）（）（）（）失调电压量化阶段 关断，打开，此时、电容满足（）（）（）（）由于采样阶段与量化阶段电荷量保持不变，所以有 （）（）（）（）输出只与输入信号、共模电平以及电压增益有关，与失调电压无关；但如果 很大可能会导致比较器输出饱和，将无法补偿失调电压。图 传统比较器失调校准 电容失配校准传统电容失配校准通过硬件增设校准电容阵列，校准模式下通过开关切换低位电容阵列来对高位待校准电容失配情况量化，得到高位电容失配量，通过利用校准电容阵列来补偿高位电容值的失配，这种方法不仅增加电路功耗，而且补偿精度较低。高精度模数混合校准算法本文所提出的具有 段二进制电容阵列结构的 电路如图 所示。图 模数混合校准模型南京邮电大学学报（自然科学版）年 在图 中，电容阵列用于对失调电压进行模拟“粗”补偿，、部分用于模数转换器正常 工作，通过桥接电容 将 电容权重降低，内部的 用来配合，使 到 电容权重呈二进制过度，作为尾电容用来配合电容失配量化。通过开关切换过程中电容极板电荷总量不会变化，可以推导出、电容阵列权重分别为 （）（）（）（）其中 （）（）失调电压量化图 中在高位段引入了校准电容，通过设置校准电容的开关状态，首先模拟补偿一部分 的值，模拟校准流程如图 所示。图 模拟校准 流程剩余失调电压使用 部分通过 逻辑逐次逼近量化，输出数字码供后端数字补偿，这可以实现对较大的失调电压的校准。切换 电容阵列开关，抵消一部分，分别记录比较器输出结果数据为：；模拟前端校准完成之后剩余的 残差称为。（）（）通过 部分开关切换进行逐次逼近，产生失调电压数字码：，用来量化。（）（）电容失配量化由于 电容阵列权重值较大，根据 侧电容权重式（）可知，电容阵列微小的电容失配量也会产生较大的误差，因此将权重较小的 部分作为理想电容阵列对待，只需要对 大电容阵列进行校准即可。高位电容权重对应的推挽电压值等于所有低位电容权重推挽电压值之和，即 （）（）电容校准从 开始，若校准 端 电容失配，采样阶段令 端电容开关全部接，端 电容阵列开关全部接，其余电容开关接，开关闭合，量化阶段，断开，随后 端 电容开关切换至，电容开关由 切至，同时将模拟校准失调电压得到的：数据注入、端 校准阵列开关状态以抵消。此时比较器两端压差为 （）其中 为 的失配量。通过 理想电容阵列对 逐次逼近，产生 端 电容校准码：，其余电容按此方法逐次量化产生对应电容校准码供数字端补偿校准，令、端 电容校准码分别为：与：。数字补偿 正常工作时，通过采样开关 接 以此对输入信号进行采样，采样结束时将 断开，随后 电容开关由 切换至，同时将模拟校准失调电压得到的：数据注入、第 期孟苏祥，等：高精度模数混合 校准算法 端 校准阵列开关状态用以抵消。此时 与分别为 （）（）（）（）控制 以及 开关切换，利用 逻辑逐次逼近，产生最终量化输出数字码：。无失调电压与电容失配时输入模拟信号还原为 （）（）（）若考虑失调电压及电容失配，则：叠加了 产生的折算到模拟采样输入端误差，以及开关切换过程中电容失配折算到模拟输入端误差电压，利用：、：可得误差电压为 （）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）将 与 折合入（式（）可得最终补偿数字输出码。仿真和测试本节采用 对 位 电路进行行为级建模仿真，以验证所提出的校准电路和算法的有效性。令图 的 模数混合校准模型中 ，单位电容 ，采样频率设置为 ，根据 工 艺 文 档，电 容 失 配 量 级 在 之间，且随电容面积增大，失配比降低，因此蒙特卡洛仿真中 电容失配与比较器失调电压设置情况如下：分别失配 、，失配、；失调电压设置为 。输入满摆幅 的正弦信号，同时对输出 位数字码进行 点 与 分析，图 给出了校准前的结果，校准前 最大值为，最大值为 ，图 给出了校准后的结果，校准后 最大为，最大为。图 校准前 与 南京邮电大学学报（自然科学版）年图 校准后 与 同时在同一组失配情况下对校准前后输出 位数字码进行 点 分析，校准前后结果分别如图、所 示，校 准 使 从 提 升 至，由 提升至。表 给出了本文校准前后 性能参数，同时对比了国内外 校准算法，其中文献，分别采用不同的数字校准模式，通过复杂数字算法迭代，以牺牲面积与速度来换取 性能提升。通过对比，本文提出的模拟前端与数字后端混合校准算法，可以很大程度上减小数字后端工作量，同时配合模拟前端校准得到误差码，只需对误差码进行简单数字后端逻辑处理，不存在收敛性问题，使整体 的性能指标大幅度提高。图 校准前 分析 图 校准后 分析表 数码混合校准前后对比参数本文文献文献文献校准前校准后校准前校准后校准前校准后校准前校准后 结束语本文设计了一种 的模拟前端校准与数字后端校准相结合的校准算法，模拟校准电容阵列结构的设置可以补偿大幅度的失调电压，同时通过高效率复用 电容阵列进行简单 逻辑开关切换得到误差校准码，供数字后端补偿，有效提高了 的转换精度。仿真结果表明，采用本文提出的校准方法，存在比较器失调与电容失配的 位，其 与 相比校准前分别提高第 期孟苏祥，等：高精度模数混合 校准算法 与 ，有效位数提高 ，综合性能得到了大幅度提高。参考文献：刘源 一种高速高精度逐次逼近 的研究与设计成都：电子科技大学，：，（）刘凯 具有自适应采样率的低功耗 研究与设计南京：南京邮电大学，：，：（）代国宪 高速逐次逼近型模数转换器设计研究上海：复旦大学，：，（）陈笑，魏廷存，刘伟 数字自校准 的系统级设计与仿真 微电子学与计算机，（）：，（）：，（），（）：杜宇恒 高精度 数字校正算法的研究与设计成都：电子科技大学，：，（），：，“”，（）：吴娜 基于亚稳态检测的 数字校准算法研究成都：电子科技大学，：，（）刘伟，郭尚尚，王逍，等一种应用于 的前台数字校准算法西安邮电大学学报，（）：，（）：（），（）：叶圣兴 中高速 设计南京：东南大学，：，（）符土建 一种使用 码对 的电容失配进行后台校准技术的研究成都：电子科技大学，：，（）许卫明，张金萍，刘俐，等一种带自校准的 设计电子与封装，（）：，（）：（）姜刚建 中高精度 位 转换器校准电路新结构设计北京：北京交通大学，：，（）（责任编辑：潘雪松）南京邮电大学学报（自然科学版）年