이진가중치 전하 재분배 디지털-아날로그 변환기의 비선형 오차 감지 및 보상 방법

Non-Linearity Error Detection and Calibration Method for Binary-Weighted Charge Redistribution Digital-to-Analog Converter

이진가중치 전하재분배 DAC는 커패시터를 기반으로 구동하고 커패시터 값에 따라서 데이터 변환을 시킨다. 전하재분배 DAC의 성능을 결정하는 가장 중요한 요소는 정확한 커패시터와 트랜지스터 소자들의 크기와 특성의 보장이다. 그러나 고해상도의 DAC에서는 회로의 레이아웃 설계시의 mismatch와 칩의 공정변화에 의해 다양한 기생소자 성분 발생과 소자특성의 변화를 피하기는 매우 어렵다. 이러한 소자 mismatch는 DAC 각 비트의 해당 아날로그 값에 비선형 오차를 발생시켜 SNDR 성능저하를 가져오게 된다. 본 논문에서는 커패시터 mismatch에 의한 DAC의 데이터 오차를 감지하고 이를 보상하는 방법을 제안한다. 제안된 방법은 2개의 동일한 DAC를 사용한다. 2개의 DAC는 고정된 차이를 가진 2개의 디지털 입력을 사용함으로써 각각 데이터가 변환된다. 비교기는 허용되는 차이 보다 큰 비선형 오차를 찾을 수 있다. 우리가 제안하는 보정 방법은 비교기가 오차를 제거 할 때 까지 DAC의 커패시터 사이즈를 바꾸면서 미세한 조정을 할 수 있다. 시뮬레이션은 12bit 이진가중치 전하재분배 디지털-아날로그 변환기의 커패시터 mismatch 보정과 비선형 오차를 효과적으로 감지하는 방법을 나타낸다.

This paper proposes a method of non-linearity error detection and calibration for binary-weighted charge-driven DACs. In general, the non-linearity errors of DACs often occur due to the mismatch of layout designs or process variation, even when careful layout design methods and process calibration are adopted. Since such errors can substantially degrade the SNDR performance of DAC, it is crucial to accurately measure the errors and calibrate the design mismatches. The proposed method employs 2 identical DAC circuits. The 2 DACs are sweeped, respectively, by using 2 digital input counters with a fixed difference. A comparator identifies any non-linearity errors larger than an acceptable discrepancy. We also propose a calibration method that can fine-tune the DAC's capacitor sizes iteratively until the comparator finds no further errors. Simulations are presented, which show that the proposed method is effective to detect the non-linearity errors and calibrate the capacitor mismatches of a 12-bit DAC design of binary-weighted charge-driven structure.