第三章 提出之應用於電容陣列的校正演算法
3.4. 誤差計算模式時的改良
3.4.1. 以參考電壓當預先充電與逼近基準
如圖 3-8 所示，之前的誤差計算模式時，比較器的正端接地（0 伏特），
所以比較器的負端是由一個負電壓向地逼近，以完成將比較器負端之電壓數 位化的步驟。
由於在標準 CMOS 製程中，N 型電晶體的本體極（Body）部分是接到 晶片中的最低電位，也就是地（0 伏特）。若比較器負端經由上述之誤差計 算演算法出現了一個負電壓，假若該負電壓的值太大，則開關 Sx之 N 型電
晶體可能會有漏電路徑出現。
這路徑是由 N 型電晶體集極端（Drain）或是源極端（Source）往本體 極（Body）的漏電路徑，當集極端（Drain）或是源極端（Source）負的過 多，與本體極（Body）之間的 PN 接面將會慢慢導通，形成一個漏電路徑。
如此會造成多餘的電荷由本體極（Body）流入汲極端（Drain）或是源極端
（Source），進而影響了比較器負端的電壓值。
所以這限制了我們所能計算的電容誤差量。若是電容誤差較大，表示經 由校正演算法後，我們會得到一個更負的電壓出現在比較器負端，然而這負 的電壓卻會受到漏電路徑的影響，使我們能校正的電容誤差量受限於 N 型 電晶體之體極與集、源極中 PN 接面的導通電壓。
反推比較器負端出現負電壓的原因，可以發現是因為我們在校正演算法 中，在預先充電模式時，將比較器負端連接到地（0 伏特）所造成的。為了 保持電荷不變，所以在經過電荷重佈模式後，比較器負端仍然會是一個接近 0 伏特的電壓。
而我們將比較器正端接地，所以比較器負端之電壓若要數位化，則只能 向 0 伏特逼近，也就是只有負電壓、出現在比較器負端時才能數位化。
因為我們希望比較器負端不會有負電壓出現，也就是不希望我們的演算 法所能應付的電容誤差量，受限於電晶體中 PN 接面的導通電壓，故我們將 誤差計算模式時的電路做了一些改良，如圖 3-9 所示。
我們加入以單一 P 型電晶體完成的開關 Sv，在預先充電模式時，將開關
S
v導通，以參考電壓 VREF當作預先充電時的電壓基準，這也表示在經過電荷 重佈模式時，比較器負端的電壓會是個在 VREF上下的電壓，取決於當時計 算的電容誤差量比標準值多或低。圖 3- 9 改良後的誤差計算模式電路
為了應付預先充電模式的改變，比較器的正端在誤差計算模式時被接到 參考電壓 VREF，也就是說比較器負端小於參考電壓 VREF的值，才能藉由逐 步逼近至比較器正端完成數位化。
由傳輸閘構成的開關 SR則是取代開關 Sx的另一項功能：將比較器兩端 短路做電荷重置的功能，我們在重置模式時導通開關 SR，使比較器負端接 地，先放掉所有先前步驟累積在比較器負端的電荷。
改良前的比較器負端電壓示意圖如圖 3-10 所示。參考電壓 VREF與地
GND 之間，是開關 S
x之電晶體絕不會漏電的安全範圍，但是在此段範圍的 比較器負端之電壓卻無法被利用，也就是它無法被數位化。我們僅能利用小於 GND 的一小段電壓，在此範圍內可以逐步逼近至比 較器正端之 GND，也就是可以數位化。但是此段電壓卻會受到開關 Sx之電 晶體 PN 接面漏電流之限制。
REF
Safety Zone But cannot digitize
Dangerous Zone But can digitize
圖 3- 10 改良前的比較器負端電壓示意圖
改良後的比較器負端電壓示意圖如圖 3-11 所示。參考電壓 VREF與地
GND 之間，是開關 S
x之電晶體絕不會漏電的安全範圍，我們利用此段範圍 的比較器負端之電壓，將它逐步上升逼近至 VREF完成數位化。圖 3- 11 改良後的比較器負端電壓示意圖
超過 VREF是可能會使電晶體 PN 接面導通的危險範圍，由單一 P 型電晶 體構成之開關 Sv和由傳輸閘 TG 構成之開關 SR都有漏電的危險。但是在此 區段內的電壓本來就無法逼近至比較器正端之 VREF位準，所以即使漏電流 出現也不會對數位化值有任何影響，此為我們改良之要點一。