一种基于失调校准的R2R SAR ADC

技术领域

本发明涉及一种基于失调校准的R2R SAR ADC。

背景技术

物联网技术在大规模集成电路的进步和工艺尺寸的持续减小的推动下，得到了显著的发展，进一步催生了可穿戴设备、智能家居等多个应用场景的飞速进步。在这些环境中，电子设备需要在保持其核心功能的同时，具有高能效，以最大限度地延长使用周期。然而，大量用于收集模拟信号的无线传感器的使用可能会导致系统功耗过高。作为无线传感器中将模拟输入信号和数字信号处理芯片连接起来的关键部分，模数转换器(ADC)一直是研究者们的关注焦点。在模拟集成电路和数字集成电路相关技术的推动下，模数转换器的速度和精度在近年来得到了显著提高。

模数转换器有多种类型，包括快闪型、流水线型、逐次逼近型和Sigma-delta型等。不同类型的ADC有其独特的特点，例如，快闪型模数转换器速度快，但精度较低；Sigma-delta模数转换器则常用于高精度场景，但其采样率通常较低。逐次逼近型(SAR)ADC的工作原理基于二进制查找算法，通过逐步逼近的方式产生量化结果。由于其结构简单、功耗低且易于与数字集成电路兼容，SAR ADC在中低速和中高分辨率场景中得到了广泛的应用，并在工业界中具有重要的研究价值。

R2R SAR ADC由三个主要模块组成，分别为R2RDAC、比较器和SAR逻辑模块。采样保持电路的热噪声和非线性、比较器的失调和噪声等因素都会影响SAR ADC的实际量化精度。其中，比较器的失调电压是影响R2R SAR ADC静态特性的重要因素，尤其是在高精度的情况下。一个最直观的表述就是当比较器的输入电压为0时，输出端不为0，说明此时比较器的输入端存在失调，进而会影响ADC的精度。

发明内容

本发明的目的在于解决降低SAR ADC比较器的失调电压，提高R2R SAR ADC的精度，提供一种基于失调校准的R2R SAR ADC，来提高R2R SAR ADC的性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于失调校准的R2R SAR ADC，包括比较器、失调校准电路、电荷泵控制逻辑模块、SAR逻辑模块、R2RDAC；失调校准电路的控制端作为输入采样信号输入端和校准控制信号输入端，失调校准电路的输出端与比较器的第一输入端相连接，失调校准电路的输入端与电荷泵控制逻辑模块的输出端连接，比较器的输出端分别连接SAR逻辑模块的输入端、电荷泵控制逻辑模块的输入端，SAR逻辑模块的输出端与R2RDAC连接，以控制R2RDAC，R2RDAC的输出端与比较器的第二输入端相连接。

在本发明一实施例中，失调校准电路由反相器、电容C1-C4、两个Buffer、一个OTA、开关S1-S6组成，第一Buffer的同相端经C3连接至V

在本发明一实施例中，失调校准电路校准失调电压的工作方式为：

当EN置为高电平，ENB为低电平时，电路开始校准且SAR逻辑模块不工作；在SAB置为高电平，SA则为低电平时，即S1、S3、S5闭合，S2、S4、S6断开，C1左侧电位为电荷泵控制逻辑模块为之充电的V

Q＝CV

其中C表示电容，V为电容两侧电压差，由此，C1和C2的总电荷量为：

(V

同理，在SA置为高电平，则SAB则为低电平时，即S2、S4、S5闭合，S1、S3、S6断开，C1左侧电位记为OTA的输出电压V

(V

根据电荷守恒原理，联立(1)(2)得到V

在本发明一实施例中，R2R SAR ADC的工作方式为：

当EN置为低电平，ENB为高电平时，R2R SAR ADC电路开始正常工作；在SAB置为高电平，SA则为低电平时，即S1、S3、S6闭合，S2、S4、S5断开，C1左侧电位为电荷泵控制逻辑模块为之充电的V

(V

同理，在SA置为高电平，则SAB则为低电平时，即S2、S4、S5闭合，S1、S3、S6断开，C1左侧电位记为OTA的输出电压V

(V

根据电荷守恒原理，联立(3)(4)并且假设C1＝C2，那么得到：

V

因此比较器输出信号理论上能够输出抵消失调电压。

综上，当输入比较器正端的电压V

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明提供的一种基于失调校准的R2R SAR ADC，包括比较器、失调校准、电荷泵控制逻辑、SAR逻辑以及其控制的R2RDAC五个模块，有电压校准和SAR ADC正常工作两种模式，校准控制信号EN为高电平时进入电压校准模式，反之进入SAR ADC正常工作模式。在比较器的输入端加入失调校准电压，可以有效校准失调电压，使得其适用于SAR ADC中。本发明最终采用失调校准的电路，降低了失调电压的影响，最终使得SAR ADC的精度得到提高。本发明在高精度ADC，尤其是SAR ADC中拥有巨大的应用前景。

附图说明

图1为一种基于失调校准的R2R SAR ADC整体框图。

图2为一种基于失调校准的R2R SAR ADC系统框图。

图3为带有失调校准电路的R2R SAR ADC具体电路图。

图4为在SAB工作下校准失调电压电路原理图。

图5为在SA工作下校准失调电压电路原理图。

图6为在SAB工作下R2R SAR ADC电路正常工作原理图。

图7在SA工作下R2R SAR ADC电路正常工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供了一种基于失调校准的R2R SAR ADC，包括比较器、失调校准电路、电荷泵控制逻辑模块、SAR逻辑模块、R2RDAC；失调校准电路的控制端作为输入采样信号输入端和校准控制信号输入端，失调校准电路的输出端与比较器的第一输入端相连接，失调校准电路的输入端与电荷泵控制逻辑模块的输出端连接，比较器的输出端分别连接SAR逻辑模块的输入端、电荷泵控制逻辑模块的输入端，SAR逻辑模块的输出端与R2RDAC连接，以控制R2RDAC，R2RDAC的输出端与比较器的第二输入端相连接。

为了降低SAR ADC比较器的失调电压，提高R2R SAR ADC的精度，本发明提出了一种基于失调校准的R2R SAR ADC如图1所示。该R2R SAR ADC1包含比较器的一个输入电压2(V

其系统框图如图2所示，该ADC1包括五个部分，比较器7、失调校准8、电荷泵控制逻辑9、SAR逻辑10以及其控制的R2RDAC部分11，其中，输入采样信号4(SA、SAB)和校准控制信号5(EN、ENB)与失调校准电路8的控制端相连接。失调校准8的输出信号12(V

带有失调校准电路的R2R SAR ADC具体结构如图3所示，其中失调校准电路8由反相器、四个电容(其中C1、C2为采样电容)、两个Buffer、一个OTA以及两对信号4、5(SA、SAB、EN、ENB控制)。SA表示的是采样信号，而SAB是采样的反相信号；并且信号SA控制着开关S2和S4；信号SAB控制开关S1和S3。EN校准控制信号，则ENB就是校准的反相控制信号。信号SA和EN共同控制开关S5、信号SAB和ENB共同控制开关S6。

开始校准失调电压的工作原理如下，当EN置为高电平，ENB为低电平时，电路开始校准且SAR逻辑不工作。在信号SAB置为高电平，SA则为低电平时，即开关S1、S3、S5闭合，开关S2、S4、S6断开(如图4所示)，C1左侧电位为电荷泵为之充电的V

Q＝CV

其中C表示电容，V为电容两侧电压差。由此可知C1和C2的总电荷量为：

(V

同理可得，在信号SA置为高电平，则SAB则为低电平时，即开关S2、S4、S5闭合，开关S1、S3、S6断开(如图5所示)，C1左侧电位记为OTA的输出电压V

(V

根据电荷守恒原理，联立(1)(2)得到V

R2R SAR ADC电路正常工作的原理如下，当EN置为低电平，ENB为高电平时，R2RSAR ADC电路开始正常工作。在信号SAB置为高电平，SA则为低电平时，即开关S1、S3、S6闭合，开关S2、S4、S5断开(如图6所示)，C1左侧电位为电荷泵为之充电的V

(V

同理可得，在信号SA置为高电平，则SAB则为低电平时，即开关S2、S4、S5闭合，开关S1、S3、S6断开(如图7所示)，C1左侧电位记为OTA的输出电压V

(V

根据电荷守恒原理，联立(3)(4)并且假设C1＝C2，那么得到：

V

因此比较器输出信号理论上能够输出抵消失调电压。

综上所述，当输入比较器正端的电压V

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。