該發明專利技術公開了一種提高混合電阻電容型模數轉換器動態性能的位循環方法，應用的技術領域是微電子學與固體電子學領域的高精度模數轉換器。本發明專利技術提出的位循環方法適用于任何結構的逐次逼近模數轉換器，其核心思想在于拆分最高位(MSB)電容和次高位(MSB?1)電容，將電容陣列分為四組，每次位循環都改變電容秩序，達到對電容誤差動態平均的效果。其特點在于：不需要引入任何校正算法，不需要引入校正DAC，不犧牲模數轉換器采樣率，而且不打斷模數轉換器正常工作。本發明專利技術提出的位循環方法可以對電容誤差進行動態平均，因此，與傳統依賴校正DAC和校正算法來提高線性度的校正方法相比，具有結構更簡單、占用芯片面積更小、更容易在片上實現的效果。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種新型的逐次逼近模數轉換器(SAR ADC)位循環方法，直接應用的
是微電子學與固體電子學領域的高精度模數轉換器。
技術介紹
模數轉換器將真實世界的模擬信號轉換成數字信號，是一個濾波、采樣保持和編碼的過程，模數轉換器已經廣泛應用于各種片上系統中，不同的應用系統對模數轉換器性能的要求不同,而模數轉換器的性能對系統的穩定性、可靠性和持久性都有極大的影響。模數轉換器的性能指標通常從靜態參數和動態參數兩個方面進行闡述，靜態參數主要包括失調(Offset)、失碼(Missing Code)、單調性(Monotonicity)、增益誤差(Gain Error)、微分非線性(DNL:Differential Nonlinearity)和積分非線性(INL:Integral Nonlinearity)等，動態參數包括信噪比(SNR：Signal-to-Noise Ratio)、信號噪聲失真比(SNDR:Signal-to-Noise-and-Distortion Ratio)、總諧波失真(THD：Total Harmonic Distortion)、無雜散動態范圍(SFDR:Spurious-Free Dynamic Range)以及有效精度(ENOB:Effective Number of Bits)等。模數轉換器的動態性能與輸入頻率、輸入信號幅度、電容匹配以及采樣速率相關。逐次逼近模數轉換器有多種不同的類型，需根據系統需求來選擇不同的結構。逐次逼近模數轉換器主要分為二進制電容型、三電平二進制電容型、分段電容型和混合電阻電容型四種。N位傳統二進制電容陣列以及三電平二進制電容陣列的單位電容個數隨精度N呈指數增加，導致二進制電容陣列所占面積較大，限制了電容陣列的轉換速度和精度，而分段電容型結構的電容陣列，通過插入耦合電容的方式來減小電容陣列面積并提高轉換速度，分段電容型結構的優點是電容小、面積小、功耗低，但是分數型耦合電容引入了浮空節點并且增加了版圖設計的復雜度，不容易實現高精度，在混和電阻電容結構中，采用電阻和電容兩種元件，高位DAC和低位DAC分別由二進制電容陣列和電阻串構成，因此，總電容值比同等精度的二進制電容結構以及三電平二進制電容結構都小，有效減小了電容陣列的面積，面積變小，速度變快。混合電阻電容型的優點與傳統二進制電容型和三電平二進制電容型一樣，即沒有浮空節點，線性度好，能提高模數轉換器的靜態特性，因此，混合電阻電容結構常用于高精度逐次逼近模數轉換器中。電容的匹配性是決定逐次逼近模數轉換器動態性能的關鍵因素，尤其是在高精度應用中，逐次逼近模數轉換器電容的匹配問題一直是具有挑戰性的難題，這是由于受目前工藝條件限制，電容只能滿足10位的匹配精度,不容易實現高精度，因此高精度逐次逼近模數轉換器主要依賴于前臺模擬校正和后臺數字校正兩種方法，文獻[Z.Wang,R.Lin,E.Gordon,H.Lakdawala,L.Carley,J.Jensen,“An in-situ temperature-sensing interface based on a SAR ADC in 45nm LP digital CMOS for the frequency-temperature compensation of crystal oscillators”,IEEE ISSCC Dig.Tech.Papers,pp.316-317,Feb 2010.]采用前臺模擬校正的方法，一上電先計算各個電容誤差，將各個電容誤差存入寄存器，之后在逐次逼近模數轉換器正常工作的時候，利用校正DAC對電容誤差進行抵消，達到校正的目的。前臺模擬校正的缺點在于需要引入額外的校正DAC，并且需要打斷模數轉換器的正常工作。后臺數字校正通常采用“最小均方誤差”(LMS：Least Mean Square)算法對電容進行失配校正，而基于LMS算法的校正方案在給定的誤差建模的條件下，精度高且校準效果好，但若初始值選取不當，會導致算法復雜度增加，甚至導致算法不收斂等問題，不易于片上實現。
技術實現思路
本專利技術針對現有技術的不足之處改進設計一種不需要引入校正DAC，不犧牲模數轉換器采樣率，不打斷模數轉換器正常工作，結構更簡單、占用芯片面積更小、更容易在片上實現的能夠提高逐次逼近模數轉換器動態性能的位循環方法。本專利技術提出的位循環方法適用于任何結構的逐次逼近模數轉換器，其核心思想在于拆分最高位(MSB)電容和次高位(MSB-1)電容，將電容陣列分為四組，每次位循環都改變電容秩序，達到對電容誤差動態平均的效果。對本專利技術提出的位循環方法基于圖1的12位混合電阻電容逐次逼近模數轉換器進行闡述，如圖1所示，12位混合電阻電容逐次逼近模數轉換器由高5位電容DAC和低7位電阻DAC、比較器和數字控制電路組成，相比分段電容型結構，混合電阻電容型結構由于沒有浮空節點，所以線性度比分段電容型結構更好。本專利技術的技術方案為一種提高混合電阻電容型模數轉換器動態性能的位循環方法，該方法包括：步驟1：所述混合電阻電容型逐次逼近模數轉換器包括：高位電容DAC和低位電阻DAC，將高位電容DAC中的所有單位電容平均分為4組；第一次轉換時，第一、二組電容作為最高位，第三組電容作為次高位，對第一個輸入電壓Vin(1)采樣之后進行位循環，產生對應于第一個輸入電壓Vin(1)的輸出碼字；步驟2：第二次轉換時，第三、四組電容作為最高位，第一組電容作為次高位，對第二個輸入電壓Vin(2)采樣之后進行位循環，產生對應于第二個輸入電壓Vin(2)的輸出碼字；步驟3：第三次轉換時，第一、四組電容作為最高位，第二組電容作為次高位，對第三個輸入電壓Vin(3)采樣之后進行位循環，產生對應于第三個輸入電壓Vin(3)的輸出碼字；步驟4：第四次轉換時，第二、三組電容作為最高位，第四組電容作為次高位，對第四個輸入電壓Vin(4)采樣之后進行位循環，產生對應于第四個輸入電壓Vin(4)的輸出碼字；步驟5：第五次轉換時，第三、四組電容作為最高位，第一組電容作為次高位，對第五個輸入電壓Vin(5)采樣之后進行位循環，產生對應于第五個輸入電壓Vin(5)的輸出碼字；步驟6：第六次轉換時，第一、二組電容作為最高位，第三組電容作為次高位，對第六個輸入電壓Vin(6)采樣之后進行位循環，產生對應于第六個輸入電壓Vin(6)的輸出碼字；步驟7：第七次轉換時，第二、三組電容作為最高位，第四組電容作為次高位，對第七個輸入電壓Vin(7)采樣之后進行位循環，產生對應于第七個輸入電壓Vin(7)的輸出碼字；步驟8：第八次轉換時，第一、四組電容作為最高位，第二組電容作為次高位，對第八個輸入電壓Vin(8)采樣之后進行位循環，產生對應于第八個輸入電壓Vin(8)的輸出碼字；在ADC后續輸出碼字過程中，第九次轉換的方式與第一次相同，第十次轉換的方式與第二次相同，依次循環。本專利技術提出一種能提高逐次逼近模數轉換器動態性能的位循環方法，其特點在于：不需要引入任何校正算法，不需要引入校正DAC，不犧牲模數轉換器采樣率，而且不打斷模數轉換器正常工作。本專利技術提出的位循環方法可以對電容誤差進行動態平均，因此，與傳統依賴校正DAC和校正算法來提本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種提高混合電阻電容型模數轉換器動態性能的位循環方法，該方法包括：步驟1：所述混合電阻電容型逐次逼近模數轉換器包括：高位電容DAC和低位電阻DAC，將高位電容DAC中的所有單位電容平均分為4組；第一次轉換時，第一、二組電容作為最高位，第三組電容作為次高位，對第一個輸入電壓Vin(1)采樣之后進行位循環，產生對應于第一個輸入電壓Vin(1)的輸出碼字；步驟2：第二次轉換時，第三、四組電容作為最高位，第一組電容作為次高位，對第二個輸入電壓Vin(2)采樣之后進行位循環，產生對應于第二個輸入電壓Vin(2)的輸出碼字；步驟3：第三次轉換時，第一、四組電容作為最高位，第二組電容作為次高位，對第三個輸入電壓Vin(3)采樣之后進行位循環，產生對應于第三個輸入電壓Vin(3)的輸出碼字；步驟4：第四次轉換時，第二、三組電容作為最高位，第四組電容作為次高位，對第四個輸入電壓Vin(4)采樣之后進行位循環，產生對應于第四個輸入電壓Vin(4)的輸出碼字；步驟5：第五次轉換時，第三、四組電容作為最高位，第一組電容作為次高位，對第五個輸入電壓Vin(5)采樣之后進行位循環，產生對應于第五個輸入電壓Vin(5)的輸出碼字；步驟6：第六次轉換時，第一、二組電容作為最高位，第三組電容作為次高位，對第六個輸入電壓Vin(6)采樣之后進行位循環，產生對應于第六個輸入電壓Vin(6)的輸出碼字；步驟7：第七次轉換時，第二、三組電容作為最高位，第四組電容作為次高位，對第七個輸入電壓Vin(7)采樣之后進行位循環，產生對應于第七個輸入電壓Vin(7)的輸出碼字；步驟8：第八次轉換時，第一、四組電容作為最高位，第二組電容作為次高位，對第八個輸入電壓Vin(8)采樣之后進行位循環，產生對應于第八個輸入電壓Vin(8)的輸出碼字；在ADC后續輸出碼字過程中，第九次轉換的方式與第一次相同，第十次轉換的方式與第二次相同，依次循環。...
【技術特征摘要】
1.一種提高混合電阻電容型模數轉換器動態性能的位循環方法，該方法包括：步驟1：所述混合電阻電容型逐次逼近模數轉換器包括：高位電容DAC和低位電阻DAC，將高位電容DAC中的所有單位電容平均分為4組；第一次轉換時，第一、二組電容作為最高位，第三組電容作為次高位，對第一個輸入電壓Vin(1)采樣之后進行位循環，產生對應于第一個輸入電壓Vin(1)的輸出碼字；步驟2：第二次轉換時，第三、四組電容作為最高位，第一組電容作為次高位，對第二個輸入電壓Vin(2)采樣之后進行位循環，產生對應于第二個輸入電壓Vin(2)的輸出碼字；步驟3：第三次轉換時，第一、四組電容作為最高位，第二組電容作為次高位，對第三個輸入電壓Vin(3)采樣之后進行位循環，產生對應于第三個輸入電壓Vin(3)的輸出碼字；步驟4：第四次轉換時，第二、三組電容作為最高位，第四組電容作為次高位，對第四個輸入電壓Vin(4)采樣之后進行位循環，產...
【專利技術屬性】
技術研發人員：樊華，閻波，陳偉建，劉興泉，
申請(專利權)人：電子科技大學，
類型：發明
國別省市：四川;51
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