[发明专利]一种高精度SAR ADC结构及校准方法

说明书

本发明涉及一种高精度SAR ADC（逐次逼近模数转换器）结构及校准方法，包括采样保持电路、主DAC（数模转换器）、桥接电容校准模块、校准DAC（数模转换器）、比较器、数字校准和逻辑控制模块；所述桥接电容校准模块受数字校准和逻辑控制模块的控制对主DAC进行桥接电容校准；所述校准DAC受数字校准和逻辑控制模块的控制对主DAC进行电容失配校准。本发明的结构不需要复杂的校准电路，不影响SAR ADC的正常量化过程，随时都可以开启校准，校准时不需要额外的输入信号，可广泛应用于电容阵列型SAR ADC。

技术领域

本发明涉及模拟数字信号转换技术领域，特别是一种高精度SAR ADC结构及校准方法。

背景技术

我们所生存的环境中的信号(如温度、声音和图像等)均为连续模拟的，但现代电子技术能处理的只有离散的数字信号。因此能将现实中模拟信号转化为计算机能够处理的数字信号的模数转换器的存在就显得尤为重要了。模数转换器(Analog-to-DigitalConverter，ADC)将模拟信号转换成数字信号，是模拟系统与数字系统接口的关键部件，长期以来一直被广泛应用于雷达、通信、测控、医疗、仪表、图像和音频等领域。数字信号处理技术和通信产业的迅猛发展，推动着ADC逐步向高速度、高精度和低功耗的方向发展。

逐次逼近模数转换器(Successive Approximation Register ADC，SAR ADC)与其他几种ADC在精度和速度方面的对比：高速度ADC的典型结构是Flash型ADC，高精度ADC的典型结构是∑-Δ型ADC，这两种结构分别在速度、精度方面具有绝对优势，在速度、精度两个垂直市场上得到了广泛应用。然而，在其他广阔的应用领域中，人们往往需要一种中等速度、中等精度、低功耗、低成本的ADC，而SAR ADC满足了这种需求，占据了广阔的水平市场。

SAR ADC一般主要由DAC阵列，逐次逼近控制逻辑和Latch比较器构成。根据SAR内部DAC结构的不同，可以将SAR ADC分为电阻分压型、电流叠加型、电荷再分配型等等。其中，最常用的结构是电荷再分配型，由于电荷可以直接存储在电容阵列中，因此电荷再分配型DAC不需要设计额外的保持电路。电容阵列DAC没有静态功耗，相对于电阻分压型和电流叠加型DAC，节省了能耗。同时在现代CMOS工艺中，金属电容的匹配精度比电阻和MOS高很多，比较容易达到更高的精度。

然而电容阵列SAR ADC由于生产工艺，存在电容失配，导致ADC性能下降的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种高精度SAR ADC结构及校准方法，该结构不需要复杂的校准电路，不影响SAR ADC的正常量化过程，随时都可以开启校准，校准时不需要额外的输入信号，可广泛应用于电容阵列型SAR ADC。

本发明采用以下方案实现：一种高精度SAR ADC结构，包括采样保持电路、主DAC、桥接电容校准模块、校准DAC、比较器、数字校准和逻辑控制模块；

输入信号依次经采样保持电路、主DAC连接至比较器，所述数字校准和逻辑控制模块分别与主DAC、桥接电容校准模块、校准DAC以及比较器电性相连；

所述桥接电容校准模块受数字校准和逻辑控制模块的控制对主DAC进行桥接电容校准；

所述校准DAC受数字校准和逻辑控制模块的控制对主DAC进行电容失配校准。

进一步地，所述主DAC电路为电容阵列DAC，并采用了上极板采样技术与Vcm-based开关时序，同时使用了分段的桥接电容阵列，极大的降低了电容数目与开关能耗。由于桥接电容的偏差可能导致系统的非线性，性能下降，因此加入桥接电容校准模块调整桥接电容的线性度。桥接电容校准模块主要由可调电容和驱动开关构成，可调电容的大小主要受数字校准与逻辑控制模块控制。为了降低匹配性的要求，可调电容采用温度码控制，保证了可调电容调节时的单调性。