1.本发明涉及模拟数字转换器技术领域，更具体地说，涉及一种电容阵列失配的校准方法。
背景技术：2.目前应用最广泛的模数转换器(adc)都是以电容阵列为其主体结构，而在集成电路制造过程中，电容器之间会存在匹配问题，特别是对于晶片面积有限的应用，单位电容变得越来越小，使得电容器的匹配变得更加恶化，电容的失配误差对adc性能影响很大，因此就需要对其进行校准。
3.现有技术的一类自校准技术是借助一个单独的校准电容阵列，来测量每一位电容的误差，并将其误差存入寄存器中，实际工作时，校准电容阵列将误差转换成模拟量，并在模拟域减去这个误差。这种方式在测量和减去误差电压的时候需要一个额外的电容阵列，增加了芯片面积，且无法广泛使用。
4.现有技术的另一类校准技术是通过模拟或者数字的方式，用不同的算法去校准电容值(或权重)，这都是对电容本身的校准。且模拟方式校准电容之间的失配，需要增加额外的电容阵列来完成；数字方式校准电容之间的失配，通常需要额外的计算时间来计算最终结果，在模数转换器中，不能够实时地输出转换结果。
技术实现要素：5.有鉴于此，本发明提供了一种新的电容阵列失配的校准方法，其不是校准电容阵列中的电容本身，而是通过改变参考电压来达到校准电容阵列的目的。
6.本发明提供一种电容阵列失配的校准方法，应用于模数转换器中，所述电容阵列至少包含两个电容，其特征在于，包括：
7.将至少一位上的电容的参考电压配置为可调参考电压，其余位上的电容的参考电压配置为预定参考电压；
8.通过分别调节每一个所述可调参考电压的数值，从而补偿与所述可调参考电压相对应的每一位上的电容的偏差，进而使得所述电容阵列能够输出准确的转换电压。
9.优选地，通过分别调节每一个所述可调参考电压的数值，以调节所述电容阵列切换的电荷量，从而补偿与所述可调参考电压相对应的每一位上的电容的偏差。
10.优选地，每一个所述可调参考电压的数值和所述预定参考电压的比值，与相应的额定的电容比例系数和实际的电容比例系数的比值相一致，所述电容比例系数为与所述可调参考电压相对应的一位上的电容和所述电容阵列的总电容的容值的比值。
11.优选地，在所述模数转换器处于电荷重分布阶段时，分别调节每一个所述可调参考电压的电压数值，使得与所述可调参考电压相对应的一位上的电容连接至所述可调参考电压，且其他位的电容连接至所述预定参考电压时的实际的输出电压，等于额定的输出电压。
12.优选地，每一个所述额定的输出电压根据一相应的额定的电容比例系数和所述预定参考电压的乘积与输入电压之间的差值获得，其中，所述额定的电容比例系数为与所述可调参考电压相对应的一位上的电容和所述电容阵列的总电容的额定容值的比值。
13.优选地，所述预定参考电压为固定电压。
14.优选地，所述可调参考电压通过将所述预定参考电压利用可调分压电路分压而来。
15.优选地，所述可调分压电路由两个电阻串联构成，在所述两个电阻的公共连接端输出所述可调参考电压，其中，所述两个电阻中的至少一个为可调电阻，通过调节所述至少一个可调电阻的阻值大小，获得满足要求的所述可调参考电压的电压数值。
16.本发明旨在提供一种新的电容阵列失配的校准方法，通过分别调节接入到不同电容上的可调参考电压的数值，使得实际的输出电压等于相应情况下额定的输出电压时锁定可调参考电压的数值，可以在即使电容阵列中的一些位上的电容存在误差的情况下，仍然得到正确的转换电压，即等效为电容阵列得到校准。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
18.图1为一个对比例的电容阵列的示意图；
19.图2为依据本发明的实施例一的电容阵列的示意图；
20.图3为依据本发明的实施例二的电容阵列的示意图；
21.图4为依据本发明的实施例三的电容阵列的示意图。
具体实施方式
22.以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
23.此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
24.同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
25.除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
26.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
27.图1为一个对比例的电容阵列的示意图。如图1所示，电容阵列10由电容c1、c2、
……cn-2
、c
n-1
、cn并联连接组成，其中n为大于等于2的自然数，电容阵列10的底板通过一组切换开关阵列连接至预定参考电压v
refp
、输入电压v
in
或参考地电压v
gnd
，顶板通过一开关s0连接至参考地电压v
gnd
，优选地，所述开关阵列由单刀三掷开关s1、s2、
……sn-2
、s
n-1
、sn组成，所述开关阵列中的各个开关与电容阵列10中的电容一一对应。在电容阵列10的顶板生成输出电压v
top
。
28.例如在一个模数转换器(adc)的应用中，电容阵列10的输出端连接到比较器的一个输入端，比较器的另一输入端连接共模电压v
cm
，比较器的输出端连接逐次逼近(sar)逻辑电路的输入端，接着sar逻辑电路根据比较器的输出信号实现对电容阵列10中的开关阵列的逻辑控制。
29.电容型dac(数模转换器)，利用电荷守恒的原理，根据采样前后电荷的重新分布，得到所需要的输出电压v
top
。但是，输出电压v
top
的准确性严格地依赖于电容阵列中电容之间的匹配。下面先分析电容阵列10工作的基本原理：
30.在采样阶段：开关s0闭合，开关s1到sn接到输入电压v
in
端，则此时在电容阵列10的顶板存的电荷量q
top
为:
31.q
top
＝(0-v
in
)*c
total
＝(-v
in
)*c
total
32.其中，
[0033][0034]
在保持阶段：开关s0断开，若s1到sn接到参考地电压v
gnd
。根据电荷守恒，此时电容阵列10的顶板上的输出电压v
top
为：
[0035][0036]
在电荷重分布阶段：通过改变电容阵列10底板的电压，可以得到不同的输出电压v
top
。若将第m(介于1和n之间)位上的电容cm底板处的开关sm接到预定参考电压v
refp
上可得：
[0037]
(v
top_m-v
refp
)*cm+v
top_m
*(c
total-cm)＝q
top
[0038]
＝(-v
in
)*c
total
[0039]vtop_m
*c
total
＝(-v
in
)*c
total
+v
refp
*cm[0040]
因此，电容阵列10顶板的输出电压v
top_m
为：
[0041][0042]
由上述公式可以看出，为了得到精确的顶板电压，第m位上的电容cm和总电容c
total
之间的电容比例系数wm起到了关键性的作用，也即电容之间的匹配，直接影响到了电容阵列10顶板输出的电压值。这里，电容比例系数wm为：
[0043][0044]
如果存在电容失配，若电容比例系数变成w
′m，则会使得电容阵列10顶板的电压变成：
[0045]vtop_m
＝-v
in
+w
′
mvrefp
[0046]
电容阵列10输出的就不是准确的输出电压v
top
了。
[0047]
总之，电容型dac工作的基本原理是电荷重分布。也就是说，在adc转换的整个周期内，电荷是保持不变的，而且每一位在切换过程中，实际上是电荷的一个重新分布的过程。所以，如果电容之间的匹配有问题，那么就会影响到重新分布的电荷量。基于这样的问题，本发明提出了一种改变参考电压的方式，来调节电容阵列切换的电荷量。这样，即使电容之间存在失配的问题，也可以让电容阵列最终能够产生正确的转换电压。
[0048]
本发明提出的电容阵列失配的校准方法包括：将至少一位上的电容的参考电压配置为可调参考电压，其余位上的电容的参考电压配置为预定参考电压；通过分别调节每一个所述可调参考电压的数值，从而补偿与所述可调参考电压相对应的每一位上的电容的偏差，进而使得所述电容阵列最终能够输出准确的转换电压，这里，所述预定参考电压为固定电压。
[0049]
具体地，通过调节被配置为所述可调参考电压的至少一位上的电容的参考电压的数值，以调节所述电容阵列切换的电荷量，从而使得与所述可调参考电压相对应的一位上的电容等效地得到校准。
[0050]
图2为依据本发明的实施一的电容阵列的示意图。如图2所示，电容阵列20同样由电容c1、c2、
……cn-2
、c
n-1
、cn并联连接组成，其中n为大于等于2的自然数，电容阵列20的顶板通过一开关s0连接至参考地电压v
gnd
，不同的是，电容阵列20中的电容c1、c2、
……cn-2
、c
n-1
的底板通过一组切换开关阵列连接至预定参考电压v
refp
、输入电压v
in
或参考地电压v
gnd
，优选地，所述开关阵列由单刀三掷开关s1、s2、
……sn-2
、s
n-1
、组成，所述开关阵列中的各个开关与电容阵列20中的电容一一对应。电容阵列20中的电容cn的底板通过开关sn连接至可调参考电压输出的可调参考电压v
refp_n
、输入电压v
in
或参考地电压v
gnd
，在电容阵列20的顶板生成输出电压v
top
。
[0051]
需要说明的是，本发明实施例中，是选择仅将第n位上的电容cn的参考电压配置为可调参考电压，其余位上的电容的参考电压配置为固定值的预定参考电压v
refp
。在其他实施方式中，根据校准的精度要求，可以选择将多位上的电容参考电压配置为可调参考电压。
[0052]
下面分析电容阵列20工作的基本原理：
[0053]
在采样阶段：开关s0闭合，开关s1到sn接到输入电压v
in
端，则此时在电容阵列20的顶板存的电荷量q
top
为:
[0054]qtop
＝(0-v
in
)*c
total
＝(-v
in
)*c
total
[0055]
其中，
[0056][0057]
在传统电容阵列中，失配的电容会使在电荷重分布阶段，最终输出的输出电压v
top
不是我们想要的电压值。如上述的公式中，电容失配会使得实际的电容比例系数w
′m不等于额定的电容比例系数wm。而在图2所示的电容阵列20中，在电荷重分布的阶段，使得电容cn的底板开关sn接到的参考电平不再是预定参考电压v
refp
，而是与电容cn相对应的可调参考电压v
refp_n
上，这时电容阵列20顶板上的输出电压v
top_n
表示为：
[0058]vtop_n
＝-v
in
+w
′n*v
refp_n
[0059]
其额定值为：
[0060]vtop_n
＝-v
in
+wn*v
refp
[0061]
这里，实际的电容比例系数w
′n为电容cn与总电容c
total
的实际容值的比值，额定的电容比例系数wn为电容cn与总电容c
total
的额定容值的比值，
[0062][0063]
由此可见，在本发明实施例中，需要使得输出电压v
top_n
与相应的额定输出电压相等，只要使得w
′n*v
refp_n
＝wn*v
refp
即可。因此，只要调整可调参考电压v
refp_n
的电压数值，使其满足下列关系：
[0064][0065]
即可达到校准第n位上的电容cn的目的。
[0066]
至此也可得，若是将第m位上的电容cm连接至与其相对应的可调参考电压v
refp_m
上，则只要调整v
refp_m
的值满足：
[0067][0068]
即使得每一个可调参考电压v
refp_m
的数值和预定参考电压v
refp
的比值，与相应的额定的电容比例系数wm和实际的电容比例系数w
′m的比值相一致，即可达到等效地校准第m位上的电容cm的目的，实际操作中，使得实际的输出电压v
top_m
等于额定的输出电压，如下式中所示，即认为与第m位上的电容cm相对应的可调参考电压v
refp_m
的数值调整好了。
[0069]vtopm
＝-v
in
+wm*v
refp
[0070][0071]
以二进制为例，第1位(譬如为最高位)上的电容c1与总电容c
total
的容值比值为1/2，则w1＝1/2，调节可调参考电压v
refp_1
的数值，使得时，即可锁定可调参考电压v
refp_1
的数值；第2位(譬如为最高位)上的电容c2与总电容c
total
的容值比值为1/4，则w2＝1/4，调节可调参考电压v
refp_2
的数值，使得的数值，使得时，即可锁定可调参考电压v
refp_2
的数值，并以此类推。
[0072]
因此，在模数转换器处于电荷重分布阶段时，分别调节每一个可调参考电压v
refp_m
的电压数值，使得与所述可调参考电压相对应的一位上的电容cm连接至所述可调参考电压v
refp_m
，且其他位的电容连接至预定参考电压v
refp
时的实际的输出电压v
top_m
等于额定的输
出电压。即可实现相应位上电容失配的校准。这里，额定的输出电压根据一额定的比例系数wm和预定参考电压v
refp
的乘积与输入电压v
in
之间的差值获得，其中，额定的比例系数wm为与所述可调参考电压v
refp_m
相对应的一位上的电容cm的与电容阵列的总容值c
total
的额定容值的比值。
[0073]
其中，参考电压v
refp_m
可以通过多种方式实现，较为简单的一种方式为使用可调电阻进行分压调整而来，如图3所示的依据本发明的实施例二的电容阵列20的示意图。
[0074]
参考图3，可调参考电压通过将预定参考电压v
refp
利用可调分压电路分压而来。优选地，可调分压电路包括由两个电阻r1和r2串联构成的电阻分压电路，在两个电阻的公共连接端输出可调参考电压v
refp_m
，在本实施例中，m＝n，其中，两个电阻r1和r2种的至少一个为可调电阻即可，通过调节所述至少一个可调电阻的阻值大小，并比较此时的输出电压与额定的输出电压，直至调节后输出电压等于额定的输出电压，此时得到的可调参考电压即为满足要求的可调参考电压的电压数值，即所需的参考电压v
refp_m
。这里，以电阻r1为可调电阻为例，可以理解的是，电阻r2，或者电阻r1和r2均为可调电阻的情况下，也可以组成所述可调分压电路。
[0075]
还需要说明的是，可调分压电路不限于图3中所示出的电阻分压电路的形式，任何其他的已知的或者未知的可以实现输出电压可调的电路形式，均在所述可调分压电路的可选范围内。
[0076]
图4为依据本发明的实施例三的电容阵列30的示意图，其与实施例一和实施二的不同之处在于，将多位上的电容的参考电压配置为可调参考电压v
refp_m
，其余位的电容的参考电压配置为预定参考电压v
refp
。图4中所示的电容阵列30中，电容阵列30中的电容cn的底板通过开关sn连接至可调参考电压v
refp_n
，电容c
n-1
的底板通过开关s
n-1
连接至可调参考电压v
refp_n-1
，电容c
n-2
的底板通过开关s
n-2
连接至可调参考电压v
refp_n-2
。这样设计的目的，是为了解决不同电容之间的失配，使得不同位上的电容都可以接入不同的参考电压值。分别逐次调节每一个所述可调参考电压的电压数值，使得与所述可调参考电压相对应的一位上的电容cm连接至可调参考电压v
refp_m
，且其他位的电容连接至预定参考电压v
refp
时的实际的输出电压v
top_m
等于额定的输出电压时锁定相应的参考电压数值，即可实现电容阵列的校准，从而可以得到所需要的转换电压。其中，当电容阵列30被校准至理想状态时，由于各位上的电容逐次校准，故与所述多位上的电容相对应的各个所述可调参考电压输出的电压数值可能相同，也可能不同。
[0077]
综上，本发明旨在提供一种新的电容阵列失配的校准方法，通过调节接入到不同电容上的可调参考电压的数值，使得实际的输出电压等于相应情况下额定的输出电压时锁定可调参考电压的数值，可以在即使电容阵列中的一些位上的电容存在误差的情况下，仍然得到正确的转换电压，即等效为电容阵列得到校准。
[0078]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种电容阵列失配的校准方法，应用于模数转换器中，所述电容阵列至少包含两个电容，其特征在于，包括：将至少一位上的电容的参考电压配置为可调参考电压，其余位上的电容的参考电压配置为预定参考电压；通过分别调节每一个所述可调参考电压的数值，从而补偿与所述可调参考电压相对应的每一位上的电容的偏差，进而使得所述电容阵列能够输出准确的转换电压。2.根据权利要求1所述的电容阵列失配的校准方法，其特征在于，通过分别调节每一个所述可调参考电压的数值，以调节所述电容阵列切换的电荷量，从而补偿与所述可调参考电压相对应的每一位上的电容的偏差。3.根据权利要求1所述的电容阵列失配的校准方法，其特征在于，每一个所述可调参考电压的数值和所述预定参考电压的比值，与相应的额定的电容比例系数和实际的电容比例系数的比值相一致，所述电容比例系数为与所述可调参考电压相对应的一位上的电容和所述电容阵列的总电容的容值的比值。4.根据权利要求1所述的电容阵列失配的校准方法，其特征在于，在所述模数转换器处于电荷重分布阶段时，分别调节每一个所述可调参考电压的电压数值，使得与所述可调参考电压相对应的一位上的电容连接至所述可调参考电压，且其他位的电容连接至所述预定参考电压时的实际的输出电压，等于额定的输出电压。5.根据权利要求4所述的电容阵列失配的校准方法，其特征在于，每一个所述额定的输出电压根据一相应的额定的电容比例系数和所述预定参考电压的乘积与输入电压之间的差值获得，其中，所述额定的电容比例系数为与所述可调参考电压相对应的一位上的电容和所述电容阵列的总电容的额定容值的比值。6.根据权利要求1所述的电容阵列失配的校准方法，其特征在于，所述预定参考电压为固定电压。7.根据权利要求1所述的电容阵列失配的校准方法，其特征在于，所述可调参考电压通过将所述预定参考电压利用可调分压电路分压而来。8.根据权利要求7所述的电容阵列失配的校准方法，其特征在于，所述可调分压电路由两个电阻串联构成，在所述两个电阻的公共连接端输出所述可调参考电压，其中，所述两个电阻中的至少一个为可调电阻，通过调节所述至少一个可调电阻的阻值大小，获得满足要求的所述可调参考电压的电压数值。
技术总结本发明公开了一种电容阵列失配的校准方法，通过分别调节接入到至少一位上的电容的可调参考电压的数值，使得实际的输出电压等于相应情况下额定的输出电压时锁定可调参考电压的数值，可以在即使电容阵列中的一些位上的电容存在误差的情况下，仍然得到正确的转换电压，即使得电容阵列得到校准。即使得电容阵列得到校准。即使得电容阵列得到校准。
技术研发人员：朱循宇 金乐乐
受保护的技术使用者：矽力杰半导体技术（杭州）有限公司
技术研发日：2022.04.08
技术公布日：2022/7/5
