CN101051840A - 用于Sigma－Delta A/D和D/A转换器中多位量化器的非线性误差校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于Sigma－Delta A/D和D/A转换器中多位量化器的非线性误差校正方法，其特征是：利用开关的随机动作，随机开合多位DAC中的开关电容，从而引入随机噪声来平滑由于电容元件失配引起的非线性失真，随机噪声的引入使得信号带宽内的本底噪声升高，在此基础上再进行噪声整形，将信号带宽内的噪声推向带外，从而有效地提高系统的信噪比。本发明针对Sigma－Delta A/D和D/A转换器中采用多位量化器时由于电容失配所产生的非线性误差，提出了一种全数字的误差校正方法，可广泛应用于为了提高调制器的稳定性以及转换器的信噪比而采用多位量化方式的Sigma－DeltaA/D和D/A转换器。

Description

用于Sigma-Delta A/D和D/A转换器中多位量化器的非线性误差校正方法

技术领域

本发明涉及Sigma-Delta A/D和D/A转换器，具体涉及一种在Sigma-Delta A/D和D/A转换器中采用多位量化器时由于电容失配所产生的非线性误差的全数字校正方法。

背景技术

由于Sigma-DeltaA/D和D/A转换器具有数字电路多模拟电路少的特点，因此，在当前集成电路制造工艺集成度越来越高的趋势下，Sigma-Delta A/D和D/A转换器正向着高精度、高转换速率的趋势发展，被广泛应用于消费类、工业控制、通信等领域。

Sigma-Delta A/D和D/A转换器结构分别如图1和图2所示，为了提高调制器的稳定性以及转换器的信噪比(SNR)，多采用多位量化的方式。但采用多位量化器的同时就势必要采用多位的DAC(Digital-Analog Converter，数字-模拟转换器，简称数模转换器)，对于由开关电容构成的多位DAC如图3所示，量化器的输出经过编码来控制开关电容的开合，由于制造工艺的原因，使得每个单位电容很难精确地做得一样大，这样就会产生非线性误差，在信号带宽内产生较大幅度的谐波，从而降低整个A/D、D/A转换器的信噪比。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对Sigma-Delta A/D和D/A转换器中采用多位量化器时由于电容失配所产生的非线性误差，提出一种全数字的误差校正方法。

本发明的技术方案是：用于Sigma-Delta A/D和D/A转换器中多位量化器的非线性误差校正方法，其特征是：利用开关的随机动作，随机开合多位DAC中的开关电容，从而引入随机噪声来平滑由于电容元件失配引起的非线性失真，随机噪声的引入使得信号带宽内的本底噪声升高，在此基础上再进行噪声整形，将信号带宽内的噪声推向带外，从而有效地提高系统的信噪比。

所述的开关的随机动作和噪声整形是通过在DAC前引入一个误差校正环节来实现。

所述的误差校正环节由一个开关控制信号产生模块根据量化器的输出产生一个带有噪声整形特性的随机序列来随机开合多位DAC中的开关电容。

所述的带有噪声整形特性的随机序列由一个构成误差校正环节基本单位的零输入的2阶Sigma-delta调制器产生。

本发明与现有技术比较，具有如下优点：

1、本发明可以消除多位开关电容DAC中由于电容失配所带来的非线性误差，而且计算量小，非常易于电路实现。

2、本发明通过消除多位开关电容DAC中由于电容失配所带来的非线性误差，从而提高了整个Sigma-Delta A/D、Sigma-Delta D/A转换器的信噪比。

附图说明

图1为Sigma-Delta A/D转换器结构图；

图2为Sigma-Delta D/A转换器结构图；

图3为多位开关电容DAC结构图；

图4为本发明引入误差校正环节的Sigma-Delta A/D转换器结构图；

图5为本发明引入误差校正环节的Sigma-Delta D/A转换器结构图；

图6为本发明实施例的树状误差校正环节结构图；

图7为本发明实施例的开关控制信号产生模块结构图；

图8为本发明实施例的开关序列发生器结构图；

图9(a)为Sigma-delta调制器输出功率谱密度(PSD)

图9(b)为电容失配率为0.5％时开关电容DAC输出功率谱密度(PSD)

图9(c)为加入校正环节后电容失配率为0.5％时开关电容DAC输出功率谱密度(PSD)。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明为了消除多位开关电容DAC由于电容失配所带来的非线性误差，在DAC前引入一个误差校正环节，引入误差校正环节的Sigma-Delta A/D转换器结构图如图4所示，引入误差校正环节的Sigma-Delta D/A转换器结构如图5所示。

图4和图5中误差校正环节的主要工作原理是：对量化器的输出进行编码，要求编码输出能够随机开合多位开关电容DAC中的电容，从而引入随机噪声来平滑由于元件失配引起的非线性失真，但是随机噪声的引入会使信号带宽内的本底噪声升高，在此基础上再利用噪声整形(Noise-shaping)技术，将信号带宽内的噪声推向带外，从而有效地提高系统的信噪比。

为实现上述工作原理，误差校正环节要实现的主要功能就是要根据量化器的输出产生一个带有噪声整形特性的随机序列。

以4位量化器为例，需要16个控制信号控制相应的开关电容DAC，误差校正环节即对这16个信号进行随机化并做噪声整形处理，其树状误差校正环节结构如图6所示。

图6中S_k，r表示开关控制信号产生模块，下标k表示层数，r表示模块在该层中所处的位置。对于S_k，r有k+1位输入，2个k位输出：y_k-1，2r-1和y_k-1，2r。每个开关模块必须满足

y_k-1，2r-1(n)+y_k-1，2r(n)＝y_k，r(n)  0≤y_k，r(n)≤2^k     (1)

定义S_k，r开关控制信号序列，表示S_k，r两个输出之间的差值

s_k，r＝y_k-1，2r-1-y_k-1，2r    (2)

由(1)、(2)可得

$y_{k-\mathrm{1,2}r-1}\left(n\right)=\frac{1}{2}(y_{k,r}\left(n\right)+s_{k,r}\left(n\right))$ $y_{k-1,2r}\left(n\right)=\frac{1}{2}(y_{k,r}\left(n\right)-s_{k,r}\left(n\right))---\left(3\right)$ 这样S_k，r就决定了如何将输入分配到2个输出上。

根据式(3)，S_k，r的结构可以用图7来表示。

如果每个开关控制信号序列都不相关，而且具有相同的频率特性，那么整个DAC也将具有这样的频率特性。因此S_k，r序列既要满足(1)，又要具有噪声整形的频率特性。

$s_{k,r}=\left\{\begin{array}{cc}0& y_{k,r}=2i\\ \±1& y_{k,r}=2i-1\end{array}\right.i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·---\left(4\right)$

这样S_k，r就是一个0，+1，-1序列，一个零输入的2阶Sigma-delta调制器就可以产生这样的S_k，r序列。

假设o_k，r是y_k，r的最低位(LSB)，则有|s_k，r|＝o_k，r，又定义：

$q_{k,r}=\left\{\begin{array}{cc}0& s_{k,r}>0\\ 1& s_{k,r}<0,\end{array}\right.$

这样o_k，r和q_k，r就分别代表S_k，r的幅值和符号，所以：

$s_{k,r}=\left\{\begin{array}{ccc}0& o_{k,r}=0& \\ -1& o_{k,r}=1& q_{k,r}=0\\ 1& o_{k,r}=1& q_{k,r}=1\end{array}\right.---\left(5\right)$

根据式(5)，图7中开关序列发生器的结构如图8所示。

图8是一个零输入的2阶Sigma-delta调制器，由积分器1、积分器2、量化器3和一个乘法器4构成，它实现了(5)式的数学功能，产生开关序列信号S_k，r，构成了误差校正环节的基本单位。

S_k，r是产生随机序列的一个基本单位，对于其它位的量化器，图6中产生S_k，r的树状结构层数不一样，所需的S_k，r个数也不一样，但带有噪声整形特性的随机序列的推导方法与本实施例相同，依此类推。

以3阶Sigma-Delta调制器，Sigma-Delta调制器量化器为4bit为例，电容失配率为0.5％，输入为-60dB 1kHz正弦波条件下对校正前后的DAC输出进行仿真，图9(a)为Sigma-delta调制器输出功率谱密度PSD(Power Spectral Density)；图9(b)为电容失配率为0.5％时开关电容DAC输出PSD；图9(c)为加入校正环节后电容失配率为0.5％时开关电容DAC输出PSD。从仿真结果可以看出，图9(c)中校正后的噪声水平大大低于图9(b)中校正前的噪声水平，几乎和图9(a)中Sigma-delta调制器输出的噪声水平相当。

仿真结果表明：通过对误差校正，可以完全解决由于工艺因素造成的元件失配所带来的非线性误差。

本发明解决了Sigma-Delta A/D和Sigma-Delta D/A转换器中采用多位量化器时由于电容失配所产生的非线性误差问题，可广泛应用于为了提高调制器的稳定性以及转换器的信噪比而采用多位量化方式的Sigma-Delta A/D和Sigma-Delta D/A转换器。

Claims (4)

1、用于Sigma-DeltaA/D和D/A转换器中多位量化器的非线性误差校正方法，其特征是：利用开关的随机动作，随机开合多位DAC中的开关电容，从而引入随机噪声来平滑由于电容元件失配引起的非线性失真，随机噪声的引入使得信号带宽内的本底噪声升高，在此基础上再进行噪声整形，将信号带宽内的噪声推向带外，从而有效地提高系统的信噪比。

2、按照权利要求1所述的用于Sigma-DeltaA/D和D/A转换器中多位量化器的非线性误差校正方法，其特征是所述的开关的随机动作和噪声整形是通过在DAC前引入一个误差校正环节来实现。

3、按照权利要求2所述的用于Sigma-Delta A/D和D/A转换器中多位量化器的非线性误差校正方法，其特征是所述的误差校正环节由一个开关控制信号产生模块根据量化器的输出产生一个带有噪声整形特性的随机序列来随机开合多位DAC中的开关电容。

4、按照权利要求3所述的用于Sigma-Delta A/D和D/A转换器中多位量化器的非线性误差校正方法，其特征是所述的带有噪声整形特性的随机序列由一个构成误差校正环节基本单位的零输入的2阶Sigma-delta调制器产生。

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