CN104038222A - 用于校准电路的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于校准电路的系统和方法。根据实施例，一种校准电路的方法包括：将第一参考电压耦合到电路的第一输入；将可编程参考电压耦合到数模转换器（DAC）的参考节点，使得DAC的增益取决于参考节点处的输入值。该方法进一步包括：向DAC提供第一预定输入代码，将DAC的输出与第一参考电压求和以产生求和的输出，将求和的输出与阈值进行比较，并且调整可编程参考电压直到求和的输出在阈值的预定范围内为止。

Description

用于校准电路的系统和方法

技术领域

本发明总体上涉及半导体电路和方法，并且更具体地讲，涉及用于校准电路的系统和方法。

背景技术

近年来，已变得更常见的是，将诸如发动机控制系统、防抱死制动系统（ABS）和气囊安全系统的汽车电子系统设计成使用与遍布汽车分布的多个电子传感器耦合的一个或多个中央控制器系统。例如，汽车气囊系统可以具有与分布在汽车中的各种位置中的多个加速度传感器耦合的中央气囊控制器和被配置成通过炸药爆管展开的一个或多个气囊。在操作期间，加速度传感器的网络将以模拟电压形式的传感器信息发送到中央控制器，其对其中每个模拟电压执行模数转换，并且基于来自传感器的经转换的模拟值来确定是否要展开气囊。类似地，防抱死制动系统或发动机控制系统将监控从测量速度、压力、加速度、温度等的各种传感器和系统发出的模拟电压。

其中处理过多模拟信号的一种方式是通过使用存在于相应控制器中的一个或多个模数转换器（ADC）。例如，可以使用具有存在于芯片上的一个或多个模数转换器的微控制器集成电路。在具有多个模拟输入的系统中，可以使用多路复用器来处理多个模拟输入信号。通过在输入处时分多路复用各种模拟信号，可以使用一个模数转换器来在多个模拟输入线上执行转换。

发明内容

根据实施例，一种校准电路的方法包括：将第一参考电压耦合到电路的第一输入；将可编程参考电压耦合到数模转换器（DAC）的参考节点，使得DAC的增益取决于参考节点处的输入值。该方法还包括：向DAC提供第一预定输入代码，将DAC的输出与第一参考电压求和以产生求和的输出，将求和的输出与阈值进行比较，并且调整可编程参考电压，直到求和的输出在阈值的预定范围内为止。

附图说明

为了更完全地理解本发明及其优点，现在参考下面结合附图进行的描述，在附图中：

图1a-b示出传统的数据采集电路；

图2a-e示出根据本发明的实施例的数据采集电路；

图3示出根据差分实施例的数据采集电路；

图4示出实施例集成电路的框图；和

图5示出实施例方法的流程图。

除非另外指明，否则不同附图中对应的数字和符号通常指的是对应的部分。附图被绘制成清楚示出优选实施例的相关方面，并不一定按比例绘制。为了更清楚示出某些实施例，指示相同结构、材料或工艺步骤的变化的字母可跟在图号之后。

具体实施方式

以下，详细讨论目前优选实施例的形成和使用。然而，应该领会到，本发明提供了可以在各式各样的特定环境下具体实施的许多可适用的发明构思。所讨论的特定实施例只是说明形成和使用本发明的特定方式，并且不限制本发明的范围。

将在特定环境下关于优选实施例来描述本发明，即逐次逼近模数转换器。然而，本发明还可以应用于针对数据和信号采集和/或校准的其它类型的电路、系统和方法。例如，实施例系统可以针对具有除了逐次逼近ADC之外的其它架构的数据转换器。实施例系统可以进一步针对多种汽车和非汽车应用。

图1a示出根据传统实施方式的数据采集系统100，其包括耦合到传感器110、112、114和116的控制器102。控制器102包括输入多路复用器104，多路复用器104的输出被耦合到A/D转换器106。在控制器102的操作期间，多路复用器104的一个输入被路由到模数转换器106的输入，并且执行A/D转换。在一些实施方式中，对多路复用器104的指派的输入可以随着时间而变化。例如，多路复用器104的每个输入可根据重复的模式被循环地路由到A/D转换器106，使得传感器110、112、114和116的输出的转换是时分多路复用的。微控制器核108处理A/D转换器106的数字输出并且提供控制信号CTL_1至CTL_N，其可以被用来将控制信号提供到系统内的各种功能。例如，在汽车系统中，可以使用CTL_1至CTL_N来控制与发动机、燃料系统和安全系统操作相关的功能。

在一些系统中，一个或多个传感器110、112、114和116的输出电压参照于参考电压或电源电压。例如，压力传感器可以被配置成产生与耦合到压力传感器的电源和/或参考电压对应的已知满刻度值。在这种情况下，传感器电源电压还可以被耦合到A/D转换器106，以便提供比例计量地（ratiometrically）取决于传感器的电源电压或参考电压的数字输出代码。例如，电源块118可以输出与A/D转换器106的参考输入节点耦合的电压Vref。

图1b示出具有逐次逼近架构的传统A/D转换器130。在操作期间，在电容器Cs上对输入电压进行采样，其顶板被耦合到比较器134的输入。在采样期间，输入电压Vin1或Vin2中选择的输入电压被耦合到采样电容器Cs的底板，而采样电容器Cs的顶板经由开关154被耦合到电压Vref，并且电容器阵列Cdac的底板全部被耦合到负参考电压Vrefn或正参考电压Vp。接下来，开关154被打开，并且电容器Cs的底板经由开关162被耦合到负参考节点Vrefn，并且电容器阵列Cdac的底板被耦合，使得一半电容被耦合到正参考电压Vp，并且另一半电容经由开关150和152被耦合到负参考电压Vrefn。应该理解的是，虽然开关150和152均被示出为单个开关，但是每个开关150和152表示均与DAC电容器阵列Cdac中的对应的电容耦合的多个开关。

由于重构造了电容器阵列Cdac和电容器Cs的顶板和底板的耦合，比较器134的输入节点被推至高于或低于阈值。基于比较器134的输出，以使比较器134的输入电压更接近其阈值的方式来修改开关150和152的开关配置。这可以通过使用逐次逼近寄存器（SAR）136确定多个周期内开关150和152的下一状态以执行二元搜索来完成，该二元搜索针对的是使比较器134的输入电压及其阈值之差最小的开关配置。通常，每个比较周期产生单个位的分辨率。因此，8位转换可以在8个周期内执行，10位转换可以在10个周期内执行，并且12位转换可以在12个周期内执行。到完成所有周期的时候，在逐次逼近寄存器136中完全形成逐次逼近的字的输出。例如，在题为“Measurement Apparatus”（测量设备）的美国专利申请No.12/761,017中和美国专利申请No.13/539,658中描述了这种逐次逼近A/D转换器的操作，这两个申请以引用的方式被全文并入。

通过使用电压分配器160执行电压Vrefp和Vrefn之间的电势差的电压分配来生成正参考电压Vp，使用电压缓冲器140缓冲其输出。可以使用例如电阻分配电路或开关电容电压分配电路来实施电压分配器160。通过使用电压分配器160，可以使用低压电源并且使用低压装置为缓冲器140、比较器134和逐次逼近寄存器136供电，而输入电压Vin1和Vin2具有超过由缓冲器140、比较器134和逐次逼近寄存器136所使用的电源电压的电压范围。例如，电压参考Vrefp可以被设置为5V，其对应于5V的Vin1或Vin2的满刻度值。如果电压分配器被设置为具有5:1的电压分配比率，则电压分配器160的输出为大约1V。在这种情况下，逐次逼近A/D的满刻度数字输出将对应于Vin1或Vin2处的5V的输入电压。

图2a示出根据本发明的实施例的数据转换器200。数据转换器200具有多路复用电压输入Vin_1至Vin_n和电压参考输入Vrefp_1至Vrefp_m的输入开关阵列204，其中n表示多路复用输入通道的数量并且m表示参考电压的数量。数目n和m可以彼此相等或者可以彼此不相等，然而n通常大于m。输入开关阵列204还具有作为输入的Vrefn，在一些实施例中，其是可以是地参考的本地参考电压输入。输入开关阵列204的输出被耦合到采样电容器250。在一个实施例中，输入开关阵列204的输出被耦合到电容器250的底板，而电容器250的顶板被耦合到比较器234节点T的输入并且被耦合到电容器阵列240内的电容器的顶板。可替代地，电容器阵列240和输入采样电容器250的顶板和底板可以不同地布置。通过将电容器250和电容器阵列240的顶板耦合到比较器234的输入，由于寄生电荷共享而导致的不精确被最小化。因为电容器250和电容器阵列240的底板被相对低的阻抗源驱动，所以耦合到电容器250和电容器阵列的底板的寄生电容没有造成关于这些电容之间的电荷共享和重分配方面的问题。在一些实施例中，可以使用多个可开关电容器来实施电容器250。在这种实施例中，可以进一步通过借助可开关电容器选择电容器250的电容来调整数据转换器200的增益。

在一个实施例中，电容器阵列240具有均表示1位分辨率的12个电容器。在这种实施例中，数据转换器200被配置为12位A/D。可替代地，可以使用其它更多或更少的电容器来实现不同的位分辨率。例如，电容器阵列240可以具有8个电容器以实现8位分辨率。在一些实施例中，可以使用多个单位电容器来实施12个电容器中的一些或全部。在一些实施例中，电容器阵列240内的电容器被二进制加权，使得电容器阵列240被操作为二进制加权电容器阵列。在其它实施例中，电容器阵列240内的电容器中的一些或全部被温度计编码。另外，为了校准阵列的线性度的准确度，可以在电容器阵列240内包括另外的电容器。在一个实施例中，电容器阵列240的总电容在大约2 pF和大约3 pF之间。采样电容器250的电容可以被设置成在电容器阵列240的电容的大约四分之一处，以便实现例如1对5的电压分配比率。例如，用1对5的电压分配比率，5V的满刻度电压可以以设置成大约1V的VDAC来被转换。应该领会到在本发明的替代实施例中，可以相对于输入采样电容器250和电容器阵列240使用不同的电容值和不同的电压分配比率。

在操作期间，由输入开关阵列204选择模拟输入电压Vin_1至Vin_n中的一个并且将其耦合到输入采样电容器250的底板。在一个实施例中，在第一电荷重分配步骤中，顶板节点T经由开关252耦合到参考电压Vref，开关252被打开，并且电容器阵列240的底板经由DAC开关阵列242被耦合到本地参考电压VDAC或负参考电压Vrefn。然后，比较器234将节点T处的电压与参考电压Vref进行比较。在替代实施例中，可以使用自动调零比较器实施比较器234和开关252，在这种情况下，电压Vref对应于比较器的自动调零电压。在更多的替代实施例中，比较器234可以是例如在快速式A/D配置中使用参考不同参考电压的多个比较器来实施的多位比较器。

基于比较器234的输出，数字搜索寄存器（DSR）236供应产生下一开关配置估计，其经由DAC开关阵列242被施加到电容器阵列240的底板。在一些实施例中，可以使用逐次逼近寄存器（SAR）来实施DSR 236，在这种情况下，以如美国专利申请号12/761,017和13/539,658中描述的二元搜索的方式来进行操作。在其它实施例中，DSR 236可以使用追踪寄存器来实施和/或可以实施除了数字逐次逼近搜索之外的其它搜索方法。在一些实施例中，DSR 236可以实施非二元搜索，例如，在其中电容器阵列是非二元电容器阵列的实施例中。

在本发明的实施例中，经由DAC开关阵列242供应到电容器阵列240的参考电压经受校准的过程。通过校准参考电压VDAC，可以最小化和/或除去例如由部件不匹配而引起的转换增益不准确。在一些实施例中，可以在低压电源域内完全地执行参考电压VDAC的生成。因此，为小尺寸和低电压操作而被优化的小的紧凑装置可以被用来更有效地生成就更低功耗和更小的管芯面积两个方面的参考电压VDAC。

在实施例中，增益校准控制器244和参考DAC 246一起工作以校准数据转换器200的增益。在校准步骤期间，通过输入开关阵列204选择参考电压Vrefp_1至Vrefp_n中的一个并且在采样阶段期间将其施加到电容器250的底板。同时，参考电压Vref被施加到节点T，并且DAC开关阵列242的底板被耦合到Vrefn或地。接下来，在比较阶段期间，开关252被打开，电容器250的底板被耦合到Vrefn或地，并且电容器阵列240的底板被耦合到预定值。在一些实施例中，这个预定值对应于满刻度值，使得电容器阵列240的所有底板被耦合到电压VDAC，或者电容器阵列的所有底板被耦合到电压Vrefn。可替代地，可以根据特定应用及其规格使用其它代码。这个预定值在图2a中被表示为在数字总线CAL上发送。在校准期间使用满刻度DAC开关阵列值的实施例中，可以省略信号CAL并且可以在DAC开关阵列242内硬编码预定值。

如果参考电压VDAC被校准使得VDAC对应于如由所选择的参考电压Vrefp_1至Vrefp_n限定的满刻度输入，则在比较阶段中所得到的节点T处的电压将大致是阈值Vref。如果参考电压VDAC没有对应于所选择的参考电压Vrefp_1至Vrefp_n，则如由所选择的参考电压限定的满刻度输入电压将产生小于满刻度值的DOUT处的输出电压代码，或者DOUT处的输出电压代码将产生小于那时所选择的参考电压的电压值的满刻度值，从而表示增益误差。

在实施例中，增益校准控制器迭代地调整参考DAC 246，使得所选择的参考电压基本上对应于在输出总线DOUT处的满刻度数据转换器输出。可以例如通过执行二元搜索或线性搜索来执行这个迭代调整。可以通过使用粗分辨率将参考DAC 246初始化为第一值来执行例如二元搜索。根据比较器234的输出，可以通过使用比第一迭代更细的分辨率将参考DAC 246初始化成更接近值来执行下一迭代。随着迭代调整继续，每次迭代的步长减小，直到所得到的节点T处的值在参考电压VREF的预定范围内为止。另一方面，在线性搜索中，用对应于要么略微过高要么略微过低的增益值的初始值将参考DAC 246初始化。然后，增益校准控制器244将参考DAC246输入值ADAC的值递增或递减，直到比较器234的输出改变极性为止。

在一些实施例中，参考DAC 246直接地基于参考电压Vrefp_1至Vrefp_n中的一个或多个来得到输出电压VDAC。在这种实施例中，参考DAC 246被耦合到参考电压Vrefp_1至Vrefp_n中的一个或多个，如由图2A中的虚线指示的。此外，在一些实施例中，增益校准控制器244可以发出模式控制信号GMODE和IMODE。IMODE可以被用来控制数据转换器的参考输入，并且GMODE可以被用来将DAC开关阵列242置于校准模式中。应该领会到在其它实施例中，这些模式控制信号可以由专用控制器生成。另外，本发明的实施例可以利用其它类型的控制信号和控制信号方案，如图2A中没有明确地示出而本领域中已知的。例如，如美国专利申请号12/761,017和13/539,658中描述的一些电路和方法被并入一些实施例中。

在一个实施例中，数据转换器200使用大约100 MHz和大约200 MHz之间的内部时钟速率而具有大约5 Ms/s的采样速率。可替代地，可以使用内部时钟速率的其它采样速率。在另外的替代实施例中，可以使用差分架构替代如图2a中所示的单端架构来实施数据转换器200。

图2b示出可以被用来实施图2a中示出的参考DAC 246的根据本发明的实施例的参考DAC 260。参考DAC 260具有使用电阻器264和可调整电阻器266实施的可编程电压分配器。可编程电压分配器的输出被在节点VDAC处提供低阻抗输出的电压缓冲器262缓冲。在操作期间，可以通过调整可使用可选电阻器实施的电阻器266的值来调整节点VDAC的电压值，基于数字输入ADAC来接入和断开可选电阻器的电阻。例如，在一个实施例中，当比较器234的输出处于第一状态中时，可选电阻器266的电阻减小。另一方面，当比较器234的输出处于第二状态中时，可选电阻器的电阻增大。为了说明这个，进一步考虑下面的校准示例：

校准步骤1：CMP=0 →减小电阻器266；

校准步骤2：CMP=0 →减小电阻器266；

校准步骤3：CMP=1 →增大电阻器266；

校准步骤4：CMP=0 →减小电阻器266；

校准步骤5：CMP=1 →增大电阻器266；以及

校准步骤6：CMP=0 →减小电阻器266。

在一些实施例中，可以以非常小的步进来发生上面示出的电阻器266的增大和减小。在一些情况下，因为当电阻器266达到其目标值时节点T在阈值Vref周围切换，所以比较器234将生成0-1-0-1-…的序列。

在替代实施例中，可以使用其它装置（诸如，在其线性区域中操作的MOSFET）来实施电阻器266。在这种情况下，控制信号ADAC可以是模拟信号。可编程电阻266的另外的可能性是基于MOSFET的电阻器阵列。在又一实施例中，可以使用开关电容器电路来实施电阻264和266。

一些实施例，可以例如通过一个或多个参考电压Vrefp_1至Vrefp_n来提供用于电压分配器的参考电压。这些参考电压可以被内部地生成或者外部地生成。例如，在一些实施例中，可以通过被用来向外部传感器供电的外部电源来生成参考电压Vrefp_1至Vrefp_n。由传感器生成的输出电压可以参考于其相应的电源。在一些实施例中，可以使用信号IMODE选择所施加的多于一个参考。在这种情况下，在图2a中示出与由输入开关阵列204选择的输入电压对应的所选择的参考电压。例如，如果由输入开关阵列204选择了输入Vin_1，则在参考DAC 260内选择对应的参考电压Vrefp_1。

图2c示出也可以被用来实施图2a中示出的参考DAC 246的参考DAC 270。此处，DAC 272参考使用带隙电压参考274生成的内部地生成的参考电压Vref_int。在替代实施例中，可以使用其它电压参考电路取代带隙参考274。可以例如使用如上面关于图2b描述的可编程电压分配器，或者通过使用本领域中已知的其它DAC架构来实施DAC 272。例如，在一个实施例中，可以使用例如由电阻器、R2R阶梯或其它架构加载的电流DAC来实施DAC 272。可以使用电压缓冲器262来缓冲DAC 272的输出。可替代地，如果272的输出阻抗低得足以在由采样速率确定的必要时间常数内驱动图2a中示出的电容器阵列240的底板，则可以除去电压缓冲器262。

可以使用Vref_int来向DAC 272提供恒定参考，同时通过调整控制输入ADAC来解决各种电压输入之中的参考电压的差。例如，在操作期间，当由输入开关阵列204选择输入电压Vin_1时，由增益校准控制器244选择控制信号ADAC以产生参考电压VDAC，其产生对应于参考电压Vrefp_1的满刻度值。另一方面，当由输入开关阵列204选择输入电压Vin_2时，由增益校准控制器244选择控制信号ADAC以产生参考电压VDAC，其产生对应于参考电压Vrefp_2的满刻度值。

图2d示出实施例增益校准控制器244的详细的视图。可以使用多个块中的一个来生成参考DAC控制信号ADAC。例如，可以使用辅助逐次逼近寄存器282来对与满刻度输出电压对应的VDAC的输出值执行二元搜索。可以进一步使用升/降计数器284来对与满刻度输出电压对应的VDAC的输出值执行线性搜索。在一些实施例中，可以使用多个升降计数器和/或辅助逐次逼近寄存器来根据正被使用的特定输入电压得到和存储多个参考DAC控制信号ADAC。例如，可以使用一个块来得到和存储ADAC的值，其导致数据转换器输出与第一满刻度参考电压对应的模拟输入值的满刻度代码。可以使用另一个块来得到和存储ADAC的值，其导致数据转换器输出与第二满刻度参考电压对应的模拟输入值的满刻度代码。本发明的实施例可以包含任何数目的逐次逼近和/或升/降计数器块。可以使用多路复用器289来多路复用这些块的输出以控制输出ADAC。在图2d的图示实施例中，为了简化图示，只示出了三个这样的块。在本发明的替代实施例中，可以使用单个逐次逼近块和/或单个升降计数器块。在这种情况下，得到的ADAC的值可以被存储在存储器中，并且然后根据由输入开关阵列204选择的是哪个模拟输入值来调用（recall）。

在实施例中，可以使用辅助逐次逼近寄存器282来在初始化和/或加电期间快速地得到输出字ADAC的初始值。在一些实施例中，可以在操作期间使用升降计数器284或升降计数器286周期性更新DAC的值。例如，在某个数目的采样（例如，在一百次的采样或一千次的采样）之后，可以插入如上面描述的单个校准周期。在每个单个校准周期之后，基于图2a中示出的比较器234的输出将升/降计数器284或286的值递增或递减。因此，随着时间的流逝，可以导致VDAC的值缓慢地追踪由于温度漂移和各种输入电源的输出电压的改变而引起的变化。

增益校准控制器244还可以包含模式控制块288，其提供模式控制信号IMODE和GMODE和DAC开关阵列校准控制字CAL。如上面讨论的，控制字CAL可以表示被配置成导致DAC开关阵列242将电容器阵列242的底板耦合到参考电压VDAC或参考节点Vrefn或地的满刻度字。

图2e示出DAC开关阵列242的详细的视图。在实施例中，开关292根据控制字DOUT来在参考电压VDAC和参考电压Vrefn之间进行选择。因此，根据控制字DOUT的状态，信号XC0、XC1至XCn可以被耦合到VDAC或Vrefn。反相缓冲器294被图示为耦合在DOUT和开关292之间以示出节点T和DOUT之间的负反馈关系，因为在阈值Vref之上的节点T中的增大导致所得到的DOUT的值在下一周期中引起相对于阈值Vref的节点T中的减小。在一些实施例中，可以存在反相缓冲器294并且通过开关292的特定实施方式的性质来维持节点T和DOUT之间的反相关系。在数据转换器的正常操作期间，借助模式信号GMODE和多路复用器296来选择DOUT。另一方面，在增益校准期间，可以选择校准值CAL。如上面提到的，可以在DAC开关阵列242内硬编码校准值CAL。应该领会到的是，图2d中示出的DAC开关阵列242只是许多可能的实施方式中的一个示例。

图3示出根据本发明的另外实施例的数据转换器300。以差分配置来布置的数据转换器300根据与图2a中示出的数据转换器200类似的原理进行操作。输入开关阵列304p将正电压输入Vin_1p至Vin_np和电压参考输入Vrefp_1p至Vrefp_mp多路复用至电容器350p的底板。类似地，输入开关阵列304n将正电压输入Vin_1n至Vin_nn和电压参考输入Vrefp_1n至Vrefp_mn多路复用至电容器350n的底板。为了提供额外的增益选择和/或校准的程度，可以使用单个电容或多个可开关电容器来实施电容器350p和350n。电容器350p和350n的顶板被进一步耦合到可开关电容器阵列340的顶板和差分比较器334的输入。

在实施例中，可以使用后面是锁存器324的两个级联放大器级320和322来实施差分比较器334。应该理解的是，可以使用本领域中包括的已知的其它比较器架构来实施比较器334。还可以使用多级比较器来实施差分比较器334。

可以根据与上文中关于图2a描述的数字搜索寄存器236和增益校准控制器244相同的原理来操作数字搜索寄存器336和增益校准控制器344。在校准期间，增益校准控制器344断言（assert）信号GMODE借助多路复用器342选择总线CAL上的预定开关配置工作，如上面关于图2e描述的。增益校准控制器还断言信号IMODE以便借助输入开关阵列304p和304n来选择一对参考电压。参考DAC 346被配置成使用上面描述的DAC结构以及其它传统DAC结构来输出包括信号VDACp和VDACn的差分电压。可开关电容器阵列340包括具有与参考DAC输出电压VDACp和VDACn可开关地耦合的底板的电容器的阵列。

虽然可开关电容器阵列340被示出为具有电容C和C/2的二进制加权的电容器阵列，但应该理解的是，可开关电容器阵列可以具有二进制加权或者非二进制加权的任何数目的电容器。在所示出的示例中，控制字CDAC的MSB位操作与电容C的底板耦合的开关，并且控制字CDAC的MSB-1位操作与电容C/2的底板耦合的开关。应该进一步理解的是，总线CDAC可以具有控制与可开关电容器阵列340内的任何数目的电容器的任何数目的底板耦合的开关的任何数目的位。

在实施例中，增益校准控制器344以与上面增益校准控制器244校准图2a中示出的数据转换器200的增益类似的方式来校准数据转换器300的增益。

图4示出使用包括输入开关阵列410、A/D转换器412、校准电路414和微处理器核416的实施例控制器集成电路401的示例应用系统。输入开关阵列410、A/D转换器412和校准电路414根据上面描述的实施例原理来进行操作。如所示出的，任何数目的传感器1至n（402至404），和任何数目的电源1至m（406至408）可以被耦合到集成电路401内的输入开关阵列410。A/D转换器412的输出被耦合到产生控制输出CTL_1、CTL_2至CTL_P的微处理器核416，其中P代表集成电路401上可用的控制输出的数目。在一些实施例（例如汽车控制应用）中，可以使用这些控制输出来控制各种汽车功能，诸如气囊电路、防抱死制动设备、发动机控制等。在其它实施例中，例如可以使用这些控制输出来给灯和显示器供电。可供选择地，可以使用控制输出CTL_1至CTL_P来根据特定应用及其规格控制其它功能。在一些实施例中，集成电路401是可在多种不同应用中使用的通用控制器电路。

图5示出实施例校准方法的流程图500。在步骤502中，第一参考电压被耦合到第一电路输入。这个第一电路输入可以是A/D转换器的输入，并且可以使用开关来实施耦合以将传感器的模拟输出耦合到采样电容器的底板，如关于图2a中示出的实施例所描述的。接着，在步骤504中，可编程参考电压被耦合到DAC的参考节点。这可以例如通过将电压VDAC耦合至图2a中示出的DAC开关阵列242来执行。接着，在步骤506中向DAC提供预定的输入代码。在一个示例中，通过使DAC开关阵列242输出满刻度输出代码来实施步骤506。接着，在步骤508中，将DAC的输出与第一参考电压求和。这可以例如通过执行如上面描述的电容器阵列240和输入采样250之间的电荷重分配步骤来实施。在本发明的替代实施例中，这个步骤可以通过从第一参考电压减去DAC的输出来实施。在步骤510中，该方法确定DAC与第一参考电压的求和的输出是否在第一阈值的预定范围内。如果DAC的求和的输出是在第一参考电压的预定范围之内，则校准过程结束。否则，在步骤512中调整可编程参考电压并且在步骤510中作出另一比较。应该领会到的是，在本发明的替代实施例中，可以根据应用及其特定的规格使用其它类似的方法。

根据实施例，校准电路的方法包括将第一参考电压耦合到电路的第一输入，将可编程参考电压耦合到数模转换器（DAC）的参考节点，使得DAC的增益取决于参考节点处的输入值。该方法进一步包括向DAC提供第一预定输入代码，将DAC的输出与第一参考电压求和以产生求和的输出，将求和的输出与阈值进行比较，并且调整可编程参考电压，直到求和的输出在阈值的预定范围内为止。在一些实施例中，预定输入代码可以是满刻度代码。

在实施例中，将DAC的输出与第一参考电压求和包括：对第一电容器的第一节点上的第一参考电压进行采样，并且将电容器阵列的多个第一节点耦合到参考节点，使得电容器阵列被耦合到第一电容器。接着，执行第一电容器和电容器阵列的电荷平衡操作。将DAC的求和的输出与阈值进行比较可以包括：将第一电容器和电容器阵列公共的节点与阈值进行比较。第一电容器和电容器阵列的公共的节点包括第一电容器和电容器阵列的顶板。

调整可编程参考电压可以包括执行二元搜索，二元搜索包括基于比较以第一粒度调整可编程参考电压，并且然后以第二粒度调整可编程参考电压，使得第一粒度比第二粒度更粗糙。在一些实施例中，调整可编程参考电压包括当电路被初始化时执行二元搜索，并且在电路被初始化之后执行线性搜索。

在实施例中，执行线性搜索包括当求和的输出在阈值的第一侧时将可编程参考电压递增，并且当求和的输出在与阈值的第一侧相对的阈值的第二侧时将可编程参考电压递减。递增可以包括将升/降计数器递增，并且递减可以包括将升/降计数器递减。

在实施例中，电路包括模数转换器（ADC），并且调整可编程参考电压包括在多个ADC转换步骤之间中调整可编程参考电压。

在实施例中，该方法进一步包括将第二参考电压耦合到电路的第一输入，将DAC的输出与第二参考电压求和以产生第二求和的输出，将第二求和的输出与阈值进行比较，并且调整可编程参考电压直到第二求和的输出在阈值的预定范围内为止。耦合第一参考电压可以包括耦合第一传感器的电源电压，并且耦合第二参考电压包括耦合第二传感器的电源电压。

根据更多的实施例，模数转换器（ADC）包括：输入电容器，其具有与输入节点耦合的第一端子和与公共节点耦合的第二端子；以及输入开关装置，其具有与输入节点耦合的输出端子、被配置成与测量输入耦合的第一输入端子、和被配置成与参考输入耦合的第二输入端子。ADC还包括电荷重分配数模转换器（DAC），其包括：电容器阵列，所述电容器阵列具有与开关阵列耦合的多个第一端子和与公共节点耦合的第二端子，比较器，所述比较器具有与公共节点耦合的输入，数字搜索寄存器，所述数字搜索寄存器具有与比较器的输出耦合的输入和与开关阵列耦合的输出，可编程电压源，所述可编程电压源与开关阵列耦合；以及控制电路，所述控制电路具有与比较器的输出耦合的输入和与可编程电压源的控制输入耦合的输出。

在一些实施例中，控制电路被配置成将第二输入端子耦合到输入节点，并且调整可编程电压源直到电荷重分配DAC的满刻度输出基本上对应于比较器的阈值为止。控制电路包括辅助逐次逼近寄存器，所述辅助逐次逼近寄存器具有与比较器的输出耦合的输入和与可编程电压源的控制输入耦合的输出。在一些实施例中，控制电路包括第一升/降计数器，所述第一升/降计数器具有与比较器的输出耦合的输入和与可编程电压源的控制输入耦合的输出。

在实施例中，输入开关装置进一步包括被配置成与第二参考输入耦合的第三输入端子，并且控制电路进一步包括第二升/降计数器，所述第二升/降计数器具有与比较器的输出耦合的输入和与可编程电压源的控制输入耦合的输出。第二升/降计数器可以被配置成当第三输入端子经由输入开关装置耦合到输入节点时被启用。在实施例中，可编程电压源包括具有至少一个可调整电阻器和/或第二DAC的电阻分配器，其可以参考带隙电压发生器。

在实施例中，第二DAC参考第一电源域并且输入开关装置参考第二电源域。第一电源域具有比第二电源域的信号范围更低的电源电压，输入开关装置包括第一电压处额定的晶体管，并且第二DAC包括第二电压处额定的晶体管，其中第一电压大于第二电压。

在一些实施例中，数字搜索寄存器包括逐次逼近寄存器，输入电容器可以包括多个可开关地可选电容器，和/或可以使用多位比较器来实施比较器。在更多的实施例中，输入电容器包括差分输入电容器，输入开关装置包括差分输入开关装置，并且比较器包括差分比较器。

实施例的优点包括通过具有不同参考电压的多个输入来执行准确的比例计量的模数转换的能力。一些实施例的另一优势方面包括集成被配置成接受比A/D转换器的电源范围更高的电压输入范围的A/D转换器的能力。本发明的实施例的另一个优势方面是校准A/D转换器以具有超过A/D转换器的内部电路的电源电压的准确的满刻度范围电压的能力。

本发明的一些实施例的另一个优势方面是参考A/D转换器的增益以具有与比A/D转换器的内部电源更大的参考电压对应的准确的满刻度范围的能力。在一些实施例中，这可以在不使用高电压处额定的大开关的情况下完成。更确切地说，在一些实施例中使用校准过程来得到电压参考的输出。

更多的优点包括在低压（例如，1.5V）下操作实施例数据转换器的数据转换器核，从而允许扩展的电源电压范围的能力。利用可选择输入电容器的实施例的另一个优势方面是在实施例数据转换器中实施多个分离的和/或更灵活的增益设置的能力。

虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但此描述不旨在以限制性意义被解释。在参考描述时，示例性实施例的各种修改和组合以及本发明的其它实施例对本领域技术人员将是显而易见的。

Claims (34)

1.一种校准电路的方法，所述方法包括：

将第一参考电压耦合到所述电路的第一输入；

将可编程参考电压耦合到数模转换器（DAC）的参考节点，其中所述DAC的增益取决于所述参考节点处的输入值；

向所述DAC提供第一预定输入代码；

将所述DAC的输出与所述第一参考电压求和，以产生求和的输出；

将所述求和的输出与阈值进行比较；以及

调整所述可编程参考电压，直到所述求和的输出在所述阈值的预定范围内为止。

2.根据权利要求1所述的方法，其中预定输入代码是满刻度代码。

3.根据权利要求1所述的方法，其中将所述DAC的输出与所述第一参考电压求和包括：

对第一电容器的第一节点上的所述第一参考电压采样；

将电容器阵列的多个第一节点耦合到所述参考节点，其中所述电容器阵列被耦合到所述第一电容器；以及

执行所述第一电容器和所述电容器阵列的电荷平衡操作。

4.根据权利要求3所述的方法，其中将所述DAC的求和的输出与所述阈值进行比较包括将所述第一电容器和所述电容器阵列公共的节点与所述阈值进行比较。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述第一电容器和所述电容器阵列公共的节点包括所述第一电容器和所述电容器阵列的顶板。

6.根据权利要求1所述的方法，其中调整所述可编程参考电压包括执行二元搜索，其中执行所述二元搜索包括：

基于比较以第一粒度调整所述可编程参考电压；以及

在以所述第一粒度调整所述可编程参考电压之后，以第二粒度调整所述可编程参考电压，其中所述第一粒度比所述第二粒度更粗糙。

7.根据权利要求1所述的方法，其中调整所述可编程参考电压包括：

当所述电路被初始化时执行二元搜索；以及

在所述电路被初始化之后执行线性搜索。

8.根据权利要求7所述的方法，其中执行所述线性搜索包括：

当所述求和的输出处于所述阈值的第一侧时，递增所述可编程参考电压；以及

当所述求和的输出处于与所述阈值的第一侧相对的所述阈值的第二侧时，递减所述可编程参考电压。

9.根据权利要求8所述的方法，其中：

所述递增包括递增升/降计数器；以及

所述递减包括递减升/降计数器。

10.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述电路包括模数转换器（ADC）；以及

调整所述可编程参考电压包括在多个ADC转换步骤之间中调整所述可编程参考电压。

11.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

将第二参考电压耦合到所述电路的第一输入；

将所述DAC的输出与所述第二参考电压求和，以产生第二求和的输出；

将所述第二求和的输出与所述阈值进行比较；以及

调整所述可编程参考电压，直到所述第二求和的输出在所述阈值的预定范围内为止。

12.根据权利要求11所述的方法，其中：

耦合所述第一参考电压包括耦合第一传感器的电源电压；以及

耦合所述第二参考电压包括耦合第二传感器的电源电压。

13.一种电路，包括：

数模转换器（DAC），其包括参考输入，其中所述DAC的增益取决于所述参考输入处的输入值；

可编程参考信号发生器，其具有与所述参考输入耦合的输出；

求和电路，其与所述DAC的输出和第一输入节点耦合；

比较器，其具有与所述求和电路的输出耦合的输入；以及

控制电路，其被配置成：

　　将第一参考电压耦合到所述第一输入节点，

　　向所述DAC的控制输入提供第一预定输入代码，以及

　　调整输出可编程参考信号发生器，直到所述求和电路的输出在所述比较器的阈值的第一范围内为止。

14.根据权利要求13所述的电路，其中所述可编程参考信号发生器包括第二DAC。

15.根据权利要求14所述的电路，其中所述控制电路包括辅助逐次逼近寄存器，所述辅助逐次逼近寄存器被配置成执行所述第二DAC的DAC代码的二元搜索。

16.根据权利要求15所述的电路，其中所述控制电路包括：

辅助逐次逼近寄存器，其被配置成在所述电路的初始化期间执行所述第二DAC的DAC代码的二元搜索；以及

升/降计数器，其被配置成在所述电路的操作期间周期性执行所述第二DAC的DAC代码的线性搜索。

17.根据权利要求15所述的电路，其中所述控制电路进一步包括被配置成执行所述第二DAC的DAC代码的线性搜索的升/降计数器。

18.根据权利要求13所述的电路，其中：

所述第一输入节点被配置成接受第一输入电压范围处的输入电压；以及

所述可编程参考信号发生器包括参考具有比所述第一输入电压范围更小的电源电压的内部电源电压的电路。

19.根据权利要求13所述的电路，进一步包括主逐次逼近寄存器，所述主逐次逼近寄存器具有与所述比较器的输出耦合的输入和与所述DAC的控制输入耦合的输出总线。

20.根据权利要求13所述的电路，其中：

所述DAC包括具有多个电容器的电容器阵列，所述电容器具有在公共节点处耦合在一起的第一板和与所述参考输入可开关地耦合的第二板；以及

所述求和电路包括输入电容器，所述输入电容器具有与输入节点耦合的第一板和与所述电容器阵列的所述公共节点耦合的第二板。

21.根据权利要求13所述的电路，其中所述比较器包括自动调零比较器。

22.一种模数转换器（ADC），包括：

输入电容器，其具有与输入节点耦合的第一端子和与公共节点耦合的第二端子；

输入开关装置，其具有与所述输入节点耦合的输出端子、被配置成耦合到测量输入的第一输入端子、和被配置成耦合到参考输入的第二输入端子；

电荷重分配数模转换器（DAC），其包括具有与开关阵列耦合的多个第一端子和与所述公共节点耦合的第二端子的电容器阵列；

比较器，其具有与所述公共节点耦合的输入；

数字搜索寄存器，其具有与所述比较器的输出耦合的输入和与所述开关阵列耦合的输出；

可编程电压源，其与所述开关阵列耦合；以及

控制电路，其具有与所述比较器的输出耦合的输入和与所述可编程电压源的控制输入耦合的输出。

23.根据权利要求22所述的ADC，其中所述控制电路被配置成：

将所述第二输入端子耦合到所述输入节点；以及

调整所述可编程电压源，直到电荷重分配DAC的满刻度输出基本上对应于所述比较器的阈值为止。

24.根据权利要求22所述的ADC，其中所述控制电路包括辅助逐次逼近寄存器，所述辅助逐次逼近寄存器具有与所述比较器的输出耦合的输入和与所述可编程电压源的控制输入耦合的输出。

25.根据权利要求22所述的ADC，其中所述控制电路包括第一升/降计数器，所述第一升/降计数器具有与所述比较器的输出耦合的输入和与所述可编程电压源的控制输入耦合的输出。

26.根据权利要求25所述的ADC，其中：

所述输入开关装置进一步包括被配置成耦合到第二参考输入的第三输入端子；以及

所述控制电路进一步包括第二升/降计数器，所述第二升/降计数器具有与所述比较器的输出耦合的输入和与所述可编程电压源的控制输入耦合的输出，其中所述第二升/降计数器被配置成当所述第三输入端子经由所述输入开关装置耦合到所述输入节点时被启用。

27.根据权利要求22所述的ADC，其中所述可编程电压源包括具有至少一个可调整电阻器的电阻分配器。

28.根据权利要求22所述的ADC，其中所述可编程电压源包括第二DAC。

29.根据权利要求28所述的ADC，其中所述第二DAC参考带隙电压发生器。

30.根据权利要求28所述的ADC，其中：

所述第二DAC参考第一电源域并且所述输入开关装置参考第二电源域；

所述第一电源域具有比所述第二电源域的信号范围更低的电源电压；

所述输入开关装置包括第一电压处额定的晶体管；以及

所述第二DAC包括第二电压处额定的晶体管，其中所述第一电压大于所述第二电压。

31.根据权利要求22所述的ADC，其中所述数字搜索寄存器包括逐次逼近寄存器。

32.根据权利要求22所述的ADC，其中所述输入电容器包括多个可开关地可选择的电容器。

33.根据权利要求22所述的ADC，其中所述比较器包括多位比较器。

34.根据权利要求22所述的ADC，其中：

所述输入电容器包括差分输入电容器；

所述输入开关装置包括差分输入开关装置；以及

所述比较器包括差分比较器。