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SAR ADC 比较器的offset 校正

news 来源：原创 2025/5/30 16:40:26

SAR ADC的比较器是非常重要的模块，需要仔细设计。主要考虑比较器的以下指标：
1)失调电压
2)输入共模范围
3)比较器精度
4)传输延时
5)噪声
6)功耗

这里主要讲一下offset。

输出失调存储技术：
在这里插入图片描述

复位阶段：K1&K2&K3&K4均接VCOM
-(VCOM+offset1-VCOM)A1=-offset1A1=VOUTN1-VOUTP1 （1）
电容上的电荷为：
(VOUTN1-VCOM)*C-(VOUTP1-VCOM)C=(VOUTN1-VOUTP1)C (2)
把(1)式带入(2)式，得到总电荷为：-offset1A1C (3)

放大阶段：K1和K2接VINP1，VINN1，K3和K3断开VCOM，VINP2和VINN2浮空。所以新的VOUTN1和VOUTP1的电压为：
-(VINP1+offset1-VINN1)*A1=-(VINP1-VINN1)A1-offset1A=VOUTN1-VOUTP1 (4)
电容上的电荷为：
(VOUTN1–VINP2)C-(VOUTP1-VINN2)C=(VOUTN1_VOUTP1)C-(VINP2-VINN2)C (5)
由于VINP2和VINN2 浮空，电荷守恒，(3)和(5)相等,并把(4)式代入得到
-offset1A1C=-(VINP1-VINN1)A1C-offset1A1C-(VINP2-VINN2)*C (6)
由(6)式得到 (VINP2-VINN2)=-(VINP1-VINN1)*A1 (7)
所以放大时只留下信号，消去了offset。

输入失调存储技术：
在这里插入图片描述

复位阶段：K5和K6闭合，形成单位增益闭环。同时电容左边均接VCOM
-(VINP2+offset2-VINN2)A2=(VOUTN2-VOUTP2) (8)
把VOUTN2=VINP2，VOUTP2=VINN2，得到 offset2=-(1+A2)/A2(VOUTN2-VOUTP2) (9)
所以offset2近似等于-(VOUTN2-VOUTP2) (10)
电容上的总电荷为：
(VCOM-VOUTN2)*C-(VCOM-VOUTP2）*C=（VOUTP2-VOUN2）C=offset2C (11)
放大阶段：K5和K6断开，VINP2和VINN2形成浮空点
电容上的总电荷为：
(VOUTN1-VINP2)*C-(VOUTP1-VINN2)*C=[(VOUTN1-VOUNP1)-(VINP2-VINN2)]*C(12)
由于VINP2和VINN2形成浮空点，电荷守恒，(11)式跟(12)式相等，得到
VINP2-VINN2=VOUTN1-VOUTP1-offset2 (13)
所以两边加上offset2，乘以-A2，得到：-(VINP2+offset2-VINN2)*A2=-(VOUTN1-VOUTP1-offset2+offset2)*A2=-(VOUTN1-VOUTP1)*A2 (14)
-(VINP2+offset2-VINN2)*A2=VOUTN2-VOUTP2 (15)
由(14)和(15)可得VOUTN2-VOUTP2=-(VOUTN1-VOUTP1)*A2 (16)
所以输入信号VOUNT1-VOUTP1经过-A2后得到VOUTN2-VOUTP2，由(14)式可以看到中间有消除offset2的过程。

如果A1和A2均采用输出失调存储技术，由于A1*A2增益比较大，容易使电路饱和。所以可以A1用输出失调存储技术，A2用输出失调存储技术。两者相结合，防止电路饱和。

输入和输出结合失调存储技术：
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复位阶段：K1、K2、K3、K4均闭合。
则电容上的电荷为：[(VOUTN1-VINP2)-(VOUTP1-VINN2)]*C=[(VOUTN1-VOUTP2)-(VOUTN2-VOUTP2)]C=[-offset1A1+offset2]*C (17)
上式由(1),(10)式代入得到。
放大阶段：K1、K2、K3、K4均断开，电容上的电荷为：
[(VOUTN1-VINP2)-(VOUTP1-VINN2)]*C=[(VOUTN1-VOUTP2)-(VOUTN2-VOUTP2)]*C=[-(VINP1+offset1-VINN1)*A1-(VINP2-VINN2)]C(18)
由于电荷守恒，(17)跟(18)式相等，得到：
[-offset1A1+offset2]= -(VINP1+offset1-VINN1)*A1-(VINP2-VINN2)(19)
(VINP2-VINN2)=-(VINP1-VINN1)*A1-offset2 (20)
所以两边加上offset2，乘以-A2,得到
-(VINP2+offset2-VINN2)*A2=[(VINP1-VINN1)*A1-offset2+offset2]*A2=(VINP1-VINN1)A1A2 (20)
因为-(VINP2+offset2-VINN2)*A2=VOUTN2-VOUTP2 (21)
所以(20)等于(21)，得到VOUTN2-VOUTP2=(VINP1-VINN1)A1A2(22)
可以看到输入信号(VINP1-VINN1)乘以A1和A2得到输出信号VOUTN2-VOUTP2，可以看到失调被消除。
时序上可以安排在采样阶段进行比较器offset的校正。同时注意校正电容不能太小，运放输入端寄生电容和失调校准电容一起会分压，失调校准电容与寄生电容比最好大于10倍，同时注意开关的沟道注入和时钟馈通。上述失调校正由于通路上有较大的电容，比较适合低速使用，更高速的可以用其它比较器校正方法。

Latch失调对预放大设计的影响

由《SAR ADC比较器的响应设计》中指出A1和A2作为预放大，且一般二级为最佳，A1A2的输出需要用latch把比较结果弄到电源和地。由于latch的失调电压通常再30~ 60mV之间，为保险起见，需要latch失调按照100mV计算。如果Vref是3.3V，按照10bit计算，半个LSB是1.6mV，则如果预放大的增益为10倍，则1.6mV10=16mV，送到latch的输入，latch由于失调不能把比较值正确输出，所以预放大器的增益必须为100mV/1.6mV=62.5倍。可适当安排第一级和第二级的增益。如第一级6倍，第二级10~20倍，得到相对大的带宽和较高的精度。

还有其它offset校正方式
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