上述兩種位循環模式可以看出，由于第二位和第三位的判斷采用了不同的電荷 重分配方式，因此可以避免同一電容的失配誤差在同一碼字疊加，從而使得DNL和INL的分 布更為均勻。通過Matlab仿真可以證明本發明的創新之處和可行性。由于電容失配誤差服 從高斯正態分布，因此需要進行蒙特卡洛仿真，最終的DNL/INL結果為多次蒙特卡洛仿真 后的均方根值。假設單位電容失配誤差為10%，上述三種位循環模式的200次蒙特卡洛仿 真的結果分別如圖6、圖7和圖8所示。圖6為傳統8位PFCS-based SAR ADC的DNL/INL 仿真結果，由于PFCS-based SAR ADC并未采用最高位電容來判斷次高位，因此，DNL/INL的 最壞情況并非發生在中點處。圖7為傳統三電平SAR ADC的DNL/INL仿真結果，傳統三電 平SAR ADC采用最高位電容判斷次高位，而最高位電容值最大，因此誤差也最大，導致DNL 的最壞情況發生在中點處。圖8為本發明提出的SAR ADC的DNL/INL仿真結果。對比圖8 和圖6、7的仿真結果可以發現：本發明打破固定的位循環模式，讓兩種不同的位循環模式 交替進行，能達到提高DNL/INL的目的。表1總結了傳統三電平SAR ADC、PFCS-based SAR ADC與本發明SAR ADC的DNL/INL性能對比。表1表明：相比傳統三電平SAR ADC，本發明 將01提高了28.6%，11提高了12.5%，相比傳統？?05^^86(1541?40(：，本發明將01提 高了 23.5%，INL提高了 18.6%。同時，由于兩種位循環模式僅判斷第二位和第三位所采 用的電荷重分配方法不同，其余位的判斷均采取同樣的電荷重分配方法，因此，硬件開銷相 當小，相比傳統采用額外DAC或者校正算法來提高DNL/INL的方法，本發明能簡化系統復雜 度，易于片上實現并且節約功耗和芯片面積。
[0035] 表 1 :三電平 SAR ADC、PFCS-based SAR ADC 與本發明 SAR ADC 的 DNL/INL 對比
[0036]
【主權項】
1. 一種提高逐次逼近模數轉換器DNL/INL的位循環方法，包括循環模式1與循環模式 2,采用兩種循環模式交替判斷ADC的輸出，其中循環模式1包括： 步驟1 :通過兩組電容對輸入電壓進行采樣，包括比較器的正端輸入電壓和負端輸入 電壓，每一端電容組包含四位電容：最高位電容、次高位電容、第三位電容、第四位電容；所 有電容下極板采樣輸入電壓，上極板接共模電平，所有電容對輸入電壓采樣之后，所有電容 上極板斷開與共模電平的連接，下極板接共模電平，比較器比較其正、負輸入端電壓之差是 否大于等于〇,判斷出ADC輸出碼字的最高位； 步驟2 :若ADC輸出碼字的最高位為1，則在步驟1的基礎上，將最高位電容懸空，將比 較器正端次高位電容下級板連接正參考電壓VREFP，負端次高位電容下級板連接負參考電 壓VREFN，比較器比較輸入電壓是否大于等于0. 5倍基準電壓；若ADC輸出碼字的最高位為 〇,則在步驟1的基礎上，將最高位電容懸空，將比較器正端次高位電容下級板連接負參考 電壓VREFN，負端次高位電容下級板連接正參考電壓VREFP，比較器比較輸入電壓是否大于 等于-0. 5倍基準電壓，判斷出ADC輸出碼字的第二位； 步驟3 :假設ADC輸出碼字的最高位為1，若輸出碼字次高位為1，則正端最高位電容、 次高位電容接VREFP，負端最高位電容、次高位電容接VREFN，其余電容的接法保持不變，輸 入電壓與0. 75倍基準電壓進行比較，獲得輸出碼字的第三位；反之，若輸出碼字次高位為 0,則正端次高位電容接VREFP，負端次高位電容接VREFN，正、負端其余所有電容接VCM，輸 入電壓與0. 25倍基準電壓進行比較，獲得輸出碼字的第三位； 步驟4 :當ADC輸出碼字的最高位為1時；若次高位和第三位的輸出碼字均為1，則在 步驟3的基礎上，將比較器正端輸入第三位電容連接VREFP，負端第三位電容連接VREFN， 其余電容的接法保持不變，將輸入電壓與0.875倍基準電壓進行比較，獲得第四位輸出碼 字；若次高位的輸出碼字為1，第三位的輸出碼字為〇,則將比較器正端輸入第三位電容連 接VREFN，負端第三位電容連接VREFP，其余電容的接法保持不變，將輸入電壓與0. 625倍 基準電壓進行比較，獲得第四位的輸出碼字；若次高位的輸出碼字為0,第三位的輸出碼字 為1，則在步驟3的基礎上，將比較器正端輸入第三位電容連接VREFP，負端第三位電容連接 VREFN，其余電容的接法保持不變，將輸入電壓與0. 375倍基準電壓進行比較，獲得第四位 輸出碼字；若次高位和第三位的輸出碼字均為〇,則在步驟3的基礎上，將比較器正端輸入 第三位電容連接VREFN，負端第三位電容連接VREFP，其余電容的接法保持不變，將輸入電 壓與0. 125倍基準電壓進行比較，獲得第四位輸出碼字； 當ADC輸出碼字的最高位為0時，獲得第四位輸出碼字的四種情況的連接方法與當ADC 輸出碼字的最高位為1時相比只需將電容與VREFP和VREFN的連接互換。 循環模式2包括： 步驟1 :通過兩組電容對輸入電壓進行采樣，包括比較器的正端輸入電壓和負端輸入 電壓，每一端電容組包含四位電容：最高位電容、次高位電容、第三位電容、第四位電容；所 有電容下極板采樣輸入電壓，上極板接共模電平，所有電容對輸入電壓采樣之后，所有電容 上極板斷開與共模電平的連接，下極板接共模電平，判斷輸入電壓是否大于等于〇,判斷出 ADC輸出碼字的最高位； 步驟2 :若ADC輸出碼字的最高位為1，則在步驟1的基礎上，將比較器正端最高位電容 下極板連接正參考電壓VREFP，負端最高位電容下級板連接負參考電壓VREFN，其余電容的 接法保持不變，比較器比較輸入電壓是否大于等于0. 5倍基準電壓，若ADC輸出碼字的最高 位為0,則在步驟1的基礎上，將比較器正端最高位電容下級板連接負參考電壓VREFN，負端 最高位電容下級板連接正參考電壓VREFP，比較器比較輸入電壓是否大于等于-0. 5倍基準 電壓，判斷出ADC輸出碼字的第二位； 步驟3 :假設ADC輸出碼字的最高位為1，若次高位輸出碼字為1，則在步驟2的基礎上， 將正端最高位電容、次高位電容接VREFP，負端最高位電容、次高位電容接VREFN，其余電容 的接法保持不變，輸入電壓與〇. 75倍基準電壓進行比較，獲得輸出碼字的第三位；反之，若 輸出碼字的次高位為〇,則在步驟2的基礎上，將正端最高位電容接VREFP，次高位電容接 VREFN，負端最高位電容接VREFN，次高位電容接VREFP，判斷輸入電壓是否大于0. 25倍基準 電壓，獲得第三位的輸出碼字； 步驟4 :假設ADC輸出碼字的最高位為1，若次高位和第三位的輸出碼字均為1，則在 步驟3的基礎上，將比較器正端輸入第三位電容連接VREFP，負端第三位電容連接VREFN， 其余電容的接法保持不變，將輸入電壓與0.875倍基準電壓進行比較，獲得第四位輸出碼 字；若次高位的輸出碼字為1，第三位的輸出碼字為〇,則將比較器正端輸入第三位電容連 接VREFN，負端第三位電容連接VREFP，其余電容的接法保持不變，將輸入電壓與0. 625倍 基準電壓進行比較，獲得第四位的輸出碼字；若次高位的輸出碼字為0,第三位的輸出碼字 為1，則在步驟3的基礎上，將比較器正端輸入第三位電容連接VREFP，負端第三位電容連接 VREFN，其余電容的接法保持不變，將輸入電壓與0. 375倍基準電壓進行比較，獲得第四位 輸出碼字；若次高位和第三位的輸出碼字均為〇,則在步驟3的基礎上，將比較器正端輸入 第三位電容連接VREFN，負端第三位電容連接VREFP，其余電容的接法保持不變，將輸入電 壓與0. 125倍基準電壓進行比較，獲得第四位輸出碼字； 當ADC輸出碼字的最高位為0時，獲得第四位輸出碼字的四種情況的連接方法與當ADC 輸出碼字的最高位為1時相比只需將電容與VREFP和VREFN的連接互換。
【專利摘要】該發明公開了一種提高逐次逼近模數轉換器DNL/INL的位循環方法，涉及微電子學與固體電子學領域，特別是高精度SAR？ADC領域。通過設置兩種不同的判斷碼子輸出的方法，在ADC碼子判斷過程中通過這兩種方法的依次循環，從而不需要額外DAC，也不需要任何校正算法，只需要在兩種位循環模式之間進行切換，即可避免電容失配引入的誤差總在同一碼字不斷累加，從而具有提升DNL和INL的效果。
【IPC分類】H03M1/38
【公開號】CN105071811
【申請號】CN201510443974
【發明人】樊華, 佛朗哥·馬勒博迪
【申請人】電子科技大學
【公開日】2015年11月18日
【申請日】2015年7月27日