专利名称：校准模数转换器的增益误差和输入失调的方法
技术领域：
本发明涉及电路设计领域中的一种校准模数转换器的增益误差和输入失调的方法。
背景技术：
理想情况下，M位(M-bit)的模数转换器ADC应当是零输入对应于零输出，满幅输 入对应于满幅输出(可以看成增益gain二 1)的转换器。但是实际电路中会存在输入失调 和增益误差。输入失调即是说ADC的零输入并不会对应于零输出，只有在输入是V。ffsrt的情 况下才会有零输出，这就相当于输入有了一个固定的失调V。ff^。而增益误差是指满幅输入 对应的并不是满幅输出，满幅输入可能会导致输出溢出或者无法达到最大输出，看起来就 像存在增益误差(gain error)，使得模拟信号被放大gain+gain error (G+GE)倍以后才被 量化，如图1所示。 一般情况下，对ADC的输入失调和增益误差要求并不高，但是在高精度 应用场合中，需要ADC的失调和增益误差非常小。例如，LTC2204[1]的失调只有士lmV，在 外部输入精确参考电压源V，时，增益误差是O. 2%。高精度应用场合需要ADC的增益误差 和输入失调非常小，由于未校准的ADC的输入失调和增益误差主要受工艺失配参数所限制 而无法减小，这时就需要进行额外的校准。
发明内容
本发明提供的一种校准模数转换器的增益误差和输入失调的方法，使得在工艺失 配的前提下电路仍然可以满足设计要求。 为了达到上述目的，本发明提供了一种校准模数转换器的增益误差和输入失调的 方法，包含以下步骤 步骤1、估算最大可能的增益误差GEMX和最小允许的增益误差GEallMred ; 步骤2、计算需要的校准次数N: (1og2(GE^/GE^。Jh其中，{m}表示不小于m
的最小整数； 步骤3、增设参考电压VDAC，该参考电压VDAC为N位，满幅度输出是±VKEF*GEmax，最小 分辨率(1LSB)是VKEF*GEmax/2N—1 ; 步骤4、令参考电压输出bitDAC = 2% time = 1 ; 步骤5、令输入值Vin = +Vfull/2， (Vfull为最大输入幅值)，得到输出测量值D。ut = Dl，如果噪声比较大可以求多次输出的平均； 步骤6、令输入值Vin = -Vfun/2，得到输出测量值D。ut = D2，如果噪声比较大可以 求多次输出的平均； 步骤7、令步长bitstep = 2N—卜time ; 步骤8、判断D1-D2 > 2M—、M是模数转换器的位数)是否成立，若是，则令bitDAC =bitDAC+bitstep，若否，则令bitDAC = bitDAC_bitstep ;这也将模数转换器的参考电压变成 VKEF+VDAC = VKEF* (l+GEmax/2)，或者VKEF+VDAC = VKEF* (l-GE隨/2);
步骤9、判断time > N_l是否成立，若是，进行步骤ll，若否，进行步骤10 ; 步骤10、令time = time+l，进行步骤5 ; 步骤11、令输入值Vin = +￥組/2，得到输出测量值0。加=Dl ; 步骤12、令输入值Vin =,組/2，得到输出测量值0。加=D2 ; 步骤13、判断Dl-D2 > 2s1—1是否成立，若是，结束增益误差校准，进行步骤14，若否，
则令bit。AG = bit。AG-l，结束增益误差校准，进行步骤14 ; 步骤14、使用增益误差校准后的V，+V^作为参考电压，令模数转换器的输入值 Vin = O，得到输出测量值D。ut = D ;
步骤15、令D。ffset = D_2M—1 ; 因为输出是自然二进制码，所以模数转换器的零输入对应的码值是2M—、将D-2M—1
作为输入失调D。ffsrt的值； 步骤16、令D。ut二D。ut-D。ffset; 从模数转换器的输出值中减掉D。ffset，即为校准输入失调后的输出值。 本发明可以通过校准使模数转换器的增益误差和输入失调非常小，满足高精度场
合的应用需要。
图1是背景技术中模数转换器的示意图； 图2是本发明提供的一种校准模数转换器的增益误差和输入失调的方法的流程 图； 图3是本发明实施例中校准前增益误差的值； 图4是本发明实施例中校准后增益误差的值； 图5是本发明实施例中校准前输入失调的值； 图6是本发明实施例中校准后输入失调的值。
具体实施例方式
以下根据图2 图6，具体说明本发明的较佳实施例 如图2所示，为一种校准模数转换器的增益误差和输入失调的方法，包含以下步 骤 步骤1、估算最大可能的增益误差GEMX和最小允许的增益误差GEallMred ; 步骤2、计算需要的校准次数N: Uog2(GE^/GEau。Jh其中，{m}表示不小于m
的最小整数； 步骤3、增设参考电压VDAC，该参考电压VDAC为N位，满幅度输出是±VKEF*GEmax，最小 分辨率(1LSB)是VKEF*GEmax/2N—1 ; 步骤4、令参考电压输出bitDAC = 2N-、 time = 1 ; 步骤5、令输入值Vin = +Vfull/2， (Vfull为最大输入幅值)，得到输出测量值D。ut = Dl，如果噪声比较大可以求多次输出的平均； 步骤6、令输入值Vin = -Vfun/2，得到输出测量值D。ut = D2，如果噪声比较大可以 求多次输出的平均；
步骤7、令步长bitstep = 2N—卜time ; 步骤8、判断D1-D2 > 2M—1 (M是模数转换器的位数)是否成立，若是，则令bitDAC =bitDAC+bitstep，若否，则令bitDAC = bitDAC_bitstep ;这也将模数转换器的参考电压变成 VKEF+VDAC = VKEF* (l+GEmax/2)，或者VKEF+VDAC = VKEF* (l-GE隨/2); 步骤9、判断time > N_l是否成立，若是，进行步骤ll，若否，进行步骤10 ; 步骤10、令time = time+l，进行步骤5 ; 步骤11、令输入值Vin = +￥組/2，得到输出测量值0。加=Dl ; 步骤12、令输入值Vin = _Vfull/2，得到输出测量值D。ut = D2 ; 步骤13、判断D1-D2 > 2s1—1是否成立，若是，结束增益误差校准，进行步骤14，若否，
则令bit。AG = bit。AG-l，结束增益误差校准，进行步骤14 ; 步骤14、使用增益误差校准后的V，+V^作为参考电压，令模数转换器的输入值 Vin = O，得到输出测量值D滅=D ;
步骤15 、令D。ffset = D_2M-1 ; 因为输出是自然二进制码，所以模数转换器的零输入对应的码值是2M—、将D-2M—1
作为输入失调D。ffsrt的值； 步骤16、令D。ut二D。ut-D。他et; 从模数转换器的输出值中减掉D。ffset，即为校准输入失调后的输出值。
步骤16中，仅仅是在数字域进行减法，所以运放失调等模拟量引入的模数转换 器输入失调仍然存在，如果这种失调会导致模数转换器中某些电路的"溢出"，则本发明 的校准方法并不能恢复出来。以流水线模数转换器为例，如果理想情况下第一级级电路 (Stagel)的输出范围刚好等于第二级级电路(Stage2)的输入范围，那么Stagel的运放失 调可能会导致其实际输出范围大于Stage2的输入范围，某些输入信息就会"丢失"。但是通 常情况下，电路设计会留有适当的余量给运放失调等非理想因素，也就是Stagel的输出范 围会小于Stage2的输入范围，所以本方法仍然有效。当然，运放输入失调等模拟量会随着 温度变化，所以，需要间歇地校准。 因为考虑到电路中各种非理想因素，模数转换器的零输入在增益误差校准前(参 考电压是V，+0)和增益误差校准后(参考电压是V，+V。J输出的码值未必相同，所以 D。ffsrt应当是实际工作时参考电压下的输入失调。 对5000个模数转换器作为例子，仿真本实用新型提供的校准装置的效果。如图3
所示，这些模数转换器在校准之前的增益误差是2% (3 o )，如图5所示，校准之前的输入失
调是10mV(3。)。目标是校准之后增益误差小于O. 1%，输入失调小于lmV。将最大可能增
益误差设为±3%，即DAC满幅输出设为±3%搏腳，可以算得bit。Ac = 6。 进行校准后，如图4所示，这些模数转换器的增益误差控制在0. 1%以内；如图6
所示，输入失调可以达到理论上的零值。 尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的 描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的 多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
权利要求
一种校准模数转换器的增益误差和输入失调的方法，其特征在于，该方法包含以下步骤步骤1、估算最大可能的增益误差GEmax和最小允许的增益误差GEallowed；步骤2、计算需要的校准次数N＝{log2(GEmax/GEallowed)}，其中，{m}表示不小于m的最小整数；步骤3、增设参考电压VDAC，该参考电压VDAC为N位，满幅度输出是±VREF*GEmax，最小分辨率(1LSB)是VREF*GEmax/2N-1；步骤4、令参考电压输出bitDAC＝2N-1，time＝1；步骤5、令输入值Vin＝+Vfull/2，(Vfull为最大输入幅值)，得到输出测量值Dout＝D1，如果噪声比较大可以求多次输出的平均；步骤6、令输入值Vin＝-Vfull/2，得到输出测量值Dout＝D2，如果噪声比较大可以求多次输出的平均；步骤7、令步长bitstep＝2N-1-time；步骤8、判断D1-D2≥2M-1(M是模数转换器的位数)是否成立，若是，则令bitDAC＝bitDAC+bitstep，若否，则令bitDAC＝bitDAC-bitstep；这也将模数转换器的参考电压变成VREF+VDAC＝VREF*(1+GEmax/2)，或者VREF+VDAC＝VREF*(1-GEmax/2)；步骤9、判断time≥N-1是否成立，若是，进行步骤11，若否，进行步骤10；步骤10、令time＝time+1，进行步骤5；步骤11、令输入值Vin＝+Vfull/2，得到输出测量值Dout＝D1；步骤12、令输入值Vin＝-Vfull/2，得到输出测量值Dout＝D2；步骤13、判断D1-D2≥2M-1是否成立，若是，结束增益误差校准，进行步骤14，若否，则令bitDAC＝bitDAC-1，结束增益误差校准，进行步骤14；步骤14、使用增益误差校准后的VREF+VDAC作为参考电压，令模数转换器的输入值Vin＝0，得到输出测量值Dout＝D；步骤15、令Doffset＝D-2M-1；因为输出是自然二进制码，所以模数转换器的零输入对应的码值是2M-1，将D-2M-1作为输入失调Doffset的值；步骤16、令Dout＝Dout-Doffset；从模数转换器的输出值中减掉Doffset，即为校准输入失调后的输出值。
全文摘要
一种校准模数转换器的增益误差和输入失调的方法，增加参考电压VDAC来校准增益误差，使用增益误差校准后的参考电压VREF+VDAC来测量得到输入失调Doffset，并以此校准输入失调。本发明通过校准使模数转换器的增益误差和输入失调非常小，满足高精度场合的应用需要。
文档编号H03M1/10GK101777913SQ200910201560
公开日2010年7月14日 申请日期2009年12月22日 优先权日2009年12月22日
发明者倪文海, 王睿 申请人:上海迦美信芯通讯技术有限公司