專利名稱：校準模數轉換器的增益誤差和輸入失調的方法
技術領域：
本發明涉及電路設計領域中的一種校準模數轉換器的增益誤差和輸入失調的方法。
背景技術：
理想情況下，M位(M-bit)的模數轉換器ADC應當是零輸入對應于零輸出，滿幅輸 入對應于滿幅輸出(可以看成增益gain二 1)的轉換器。但是實際電路中會存在輸入失調 和增益誤差。輸入失調即是說ADC的零輸入并不會對應于零輸出，只有在輸入是V。ffsrt的情 況下才會有零輸出，這就相當于輸入有了一個固定的失調V。ff^。而增益誤差是指滿幅輸入 對應的并不是滿幅輸出，滿幅輸入可能會導致輸出溢出或者無法達到最大輸出，看起來就 像存在增益誤差(gain error)，使得模擬信號被放大gain+gain error (G+GE)倍以后才被 量化，如圖1所示。 一般情況下，對ADC的輸入失調和增益誤差要求并不高，但是在高精度 應用場合中，需要ADC的失調和增益誤差非常小。例如，LTC2204[1]的失調只有士lmV，在 外部輸入精確參考電壓源V，時，增益誤差是O. 2%。高精度應用場合需要ADC的增益誤差 和輸入失調非常小，由于未校準的ADC的輸入失調和增益誤差主要受工藝失配參數所限制 而無法減小，這時就需要進行額外的校準。
發明內容
本發明提供的一種校準模數轉換器的增益誤差和輸入失調的方法，使得在工藝失 配的前提下電路仍然可以滿足設計要求。 為了達到上述目的，本發明提供了一種校準模數轉換器的增益誤差和輸入失調的 方法，包含以下步驟 步驟1、估算最大可能的增益誤差GEMX和最小允許的增益誤差GEallMred ; 步驟2、計算需要的校準次數N: (1og2(GE^/GE^。Jh其中，{m}表示不小于m
的最小整數； 步驟3、增設參考電壓VDAC，該參考電壓VDAC為N位，滿幅度輸出是±VKEF*GEmax，最小 分辨率(1LSB)是VKEF*GEmax/2N—1 ; 步驟4、令參考電壓輸出bitDAC = 2% time = 1 ; 步驟5、令輸入值Vin = +Vfull/2， (Vfull為最大輸入幅值)，得到輸出測量值D。ut = Dl，如果噪聲比較大可以求多次輸出的平均； 步驟6、令輸入值Vin = -Vfun/2，得到輸出測量值D。ut = D2，如果噪聲比較大可以 求多次輸出的平均； 步驟7、令步長bitstep = 2N—卜time ; 步驟8、判斷D1-D2 > 2M—、M是模數轉換器的位數)是否成立，若是，則令bitDAC =bitDAC+bitstep，若否，則令bitDAC = bitDAC_bitstep ;這也將模數轉換器的參考電壓變成 VKEF+VDAC = VKEF* (l+GEmax/2)，或者VKEF+VDAC = VKEF* (l-GE隨/2);
步驟9、判斷time > N_l是否成立，若是，進行步驟ll，若否，進行步驟10 ; 步驟10、令time = time+l，進行步驟5 ; 步驟11、令輸入值Vin = +￥組/2，得到輸出測量值0。加=Dl ; 步驟12、令輸入值Vin =,組/2，得到輸出測量值0。加=D2 ; 步驟13、判斷Dl-D2 > 2s1—1是否成立，若是，結束增益誤差校準，進行步驟14，若否，
則令bit。AG = bit。AG-l，結束增益誤差校準，進行步驟14 ; 步驟14、使用增益誤差校準后的V，+V^作為參考電壓，令模數轉換器的輸入值 Vin = O，得到輸出測量值D。ut = D ;
步驟15、令D。ffset = D_2M—1 ; 因為輸出是自然二進制碼，所以模數轉換器的零輸入對應的碼值是2M—、將D-2M—1
作為輸入失調D。ffsrt的值； 步驟16、令D。ut二D。ut-D。ffset; 從模數轉換器的輸出值中減掉D。ffset，即為校準輸入失調后的輸出值。 本發明可以通過校準使模數轉換器的增益誤差和輸入失調非常小，滿足高精度場
合的應用需要。
圖1是背景技術中模數轉換器的示意圖； 圖2是本發明提供的一種校準模數轉換器的增益誤差和輸入失調的方法的流程 圖； 圖3是本發明實施例中校準前增益誤差的值； 圖4是本發明實施例中校準后增益誤差的值； 圖5是本發明實施例中校準前輸入失調的值； 圖6是本發明實施例中校準后輸入失調的值。
具體實施例方式
以下根據圖2 圖6，具體說明本發明的較佳實施例 如圖2所示，為一種校準模數轉換器的增益誤差和輸入失調的方法，包含以下步 驟 步驟1、估算最大可能的增益誤差GEMX和最小允許的增益誤差GEallMred ; 步驟2、計算需要的校準次數N: Uog2(GE^/GEau。Jh其中，{m}表示不小于m
的最小整數； 步驟3、增設參考電壓VDAC，該參考電壓VDAC為N位，滿幅度輸出是±VKEF*GEmax，最小 分辨率(1LSB)是VKEF*GEmax/2N—1 ; 步驟4、令參考電壓輸出bitDAC = 2N-、 time = 1 ; 步驟5、令輸入值Vin = +Vfull/2， (Vfull為最大輸入幅值)，得到輸出測量值D。ut = Dl，如果噪聲比較大可以求多次輸出的平均； 步驟6、令輸入值Vin = -Vfun/2，得到輸出測量值D。ut = D2，如果噪聲比較大可以 求多次輸出的平均；
步驟7、令步長bitstep = 2N—卜time ; 步驟8、判斷D1-D2 > 2M—1 (M是模數轉換器的位數)是否成立，若是，則令bitDAC =bitDAC+bitstep，若否，則令bitDAC = bitDAC_bitstep ;這也將模數轉換器的參考電壓變成 VKEF+VDAC = VKEF* (l+GEmax/2)，或者VKEF+VDAC = VKEF* (l-GE隨/2); 步驟9、判斷time > N_l是否成立，若是，進行步驟ll，若否，進行步驟10 ; 步驟10、令time = time+l，進行步驟5 ; 步驟11、令輸入值Vin = +￥組/2，得到輸出測量值0。加=Dl ; 步驟12、令輸入值Vin = _Vfull/2，得到輸出測量值D。ut = D2 ; 步驟13、判斷D1-D2 > 2s1—1是否成立，若是，結束增益誤差校準，進行步驟14，若否，
則令bit。AG = bit。AG-l，結束增益誤差校準，進行步驟14 ; 步驟14、使用增益誤差校準后的V，+V^作為參考電壓，令模數轉換器的輸入值 Vin = O，得到輸出測量值D滅=D ;
步驟15 、令D。ffset = D_2M-1 ; 因為輸出是自然二進制碼，所以模數轉換器的零輸入對應的碼值是2M—、將D-2M—1
作為輸入失調D。ffsrt的值； 步驟16、令D。ut二D。ut-D。他et; 從模數轉換器的輸出值中減掉D。ffset，即為校準輸入失調后的輸出值。
步驟16中，僅僅是在數字域進行減法，所以運放失調等模擬量引入的模數轉換 器輸入失調仍然存在，如果這種失調會導致模數轉換器中某些電路的"溢出"，則本發明 的校準方法并不能恢復出來。以流水線模數轉換器為例，如果理想情況下第一級級電路 (Stagel)的輸出范圍剛好等于第二級級電路(Stage2)的輸入范圍，那么Stagel的運放失 調可能會導致其實際輸出范圍大于Stage2的輸入范圍，某些輸入信息就會"丟失"。但是通 常情況下，電路設計會留有適當的余量給運放失調等非理想因素，也就是Stagel的輸出范 圍會小于Stage2的輸入范圍，所以本方法仍然有效。當然，運放輸入失調等模擬量會隨著 溫度變化，所以，需要間歇地校準。 因為考慮到電路中各種非理想因素，模數轉換器的零輸入在增益誤差校準前(參 考電壓是V，+0)和增益誤差校準后(參考電壓是V，+V。J輸出的碼值未必相同，所以 D。ffsrt應當是實際工作時參考電壓下的輸入失調。 對5000個模數轉換器作為例子，仿真本實用新型提供的校準裝置的效果。如圖3
所示，這些模數轉換器在校準之前的增益誤差是2% (3 o )，如圖5所示，校準之前的輸入失
調是10mV(3。)。目標是校準之后增益誤差小于O. 1%，輸入失調小于lmV。將最大可能增
益誤差設為±3%，即DAC滿幅輸出設為±3%搏腳，可以算得bit。Ac = 6。 進行校準后，如圖4所示，這些模數轉換器的增益誤差控制在0. 1%以內；如圖6
所示，輸入失調可以達到理論上的零值。 盡管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的 描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容后，對于本發明的 多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。
權利要求
一種校準模數轉換器的增益誤差和輸入失調的方法，其特征在于，該方法包含以下步驟步驟1、估算最大可能的增益誤差GEmax和最小允許的增益誤差GEallowed；步驟2、計算需要的校準次數N＝{log2(GEmax/GEallowed)}，其中，{m}表示不小于m的最小整數；步驟3、增設參考電壓VDAC，該參考電壓VDAC為N位，滿幅度輸出是±VREF*GEmax，最小分辨率(1LSB)是VREF*GEmax/2N-1；步驟4、令參考電壓輸出bitDAC＝2N-1，time＝1；步驟5、令輸入值Vin＝+Vfull/2，(Vfull為最大輸入幅值)，得到輸出測量值Dout＝D1，如果噪聲比較大可以求多次輸出的平均；步驟6、令輸入值Vin＝-Vfull/2，得到輸出測量值Dout＝D2，如果噪聲比較大可以求多次輸出的平均；步驟7、令步長bitstep＝2N-1-time；步驟8、判斷D1-D2≥2M-1(M是模數轉換器的位數)是否成立，若是，則令bitDAC＝bitDAC+bitstep，若否，則令bitDAC＝bitDAC-bitstep；這也將模數轉換器的參考電壓變成VREF+VDAC＝VREF*(1+GEmax/2)，或者VREF+VDAC＝VREF*(1-GEmax/2)；步驟9、判斷time≥N-1是否成立，若是，進行步驟11，若否，進行步驟10；步驟10、令time＝time+1，進行步驟5；步驟11、令輸入值Vin＝+Vfull/2，得到輸出測量值Dout＝D1；步驟12、令輸入值Vin＝-Vfull/2，得到輸出測量值Dout＝D2；步驟13、判斷D1-D2≥2M-1是否成立，若是，結束增益誤差校準，進行步驟14，若否，則令bitDAC＝bitDAC-1，結束增益誤差校準，進行步驟14；步驟14、使用增益誤差校準后的VREF+VDAC作為參考電壓，令模數轉換器的輸入值Vin＝0，得到輸出測量值Dout＝D；步驟15、令Doffset＝D-2M-1；因為輸出是自然二進制碼，所以模數轉換器的零輸入對應的碼值是2M-1，將D-2M-1作為輸入失調Doffset的值；步驟16、令Dout＝Dout-Doffset；從模數轉換器的輸出值中減掉Doffset，即為校準輸入失調后的輸出值。
全文摘要
一種校準模數轉換器的增益誤差和輸入失調的方法，增加參考電壓VDAC來校準增益誤差，使用增益誤差校準后的參考電壓VREF+VDAC來測量得到輸入失調Doffset，并以此校準輸入失調。本發明通過校準使模數轉換器的增益誤差和輸入失調非常小，滿足高精度場合的應用需要。
文檔編號H03M1/10GK101777913SQ200910201560
公開日2010年7月14日 申請日期2009年12月22日 優先權日2009年12月22日
發明者倪文海, 王睿 申請人:上海迦美信芯通訊技術有限公司