CN101136633A - 一种用于时间交错式模拟数字转换器的校正装置 - Google Patents

Abstract

一种时间交错式模拟数字转换器的校正装置包含：一误差估计模块，用来估计设置于时间交错式模拟数字转换器中的模拟数字转换器的一误差，该误差估计模块包含：一数字滤波器，用来接收该模拟数字转换器输出的一数字讯号，并对该数字讯号进行滤波处理，以产生一滤波讯号；以及一最小均方模块，用来根据该滤波讯号进行一最小均方运算，以产生对应该模拟数字转换器的该误差；以及一误差修正装置，用来根据该误差校正该模拟数字转换器。

Description

一种用于时间交错式模拟数字转换器的校正装置

技术领域

本发明涉及一种模拟数字转换器，特别是涉及一种时间交错模拟数字转换器。

背景技术

在通讯系统中，皆以高频传输模拟讯号，因此也相对地需要一个可以高频时钟运作的模拟数字转换器，时间交错(time-interleaved)模拟数字转换器便是一种解决方案，请参阅图1，图1为现有四层时间交错模拟数字转换器模块100的功能方块图。该模拟数位转换器模块100包括：四个取样保持电路(未绘示于第1图)以及四个模拟数字转换器112、114、116、118。但是，由于工艺上的误差，各个模拟数字转换器112、114、116、118在制作时难免会有一些差异，而这些差异便会影响到时间交错模拟数字转换器100的整体效能。

发明内容

因此本发明的目的的一在于提供一种时间交错模拟数字转换器，其可校正内部多个模拟数字转换器之间的偏移量误差(offset error)或增益误差(gainerror)或两者，以提升时间交错模拟数字转换器的效能。

根据本发明的一实施例，披露了一种校正装置，包含有：一误差估计模块，用来估计一模拟数字转换器输出的一误差，该误差修正模块包含：一数字滤波器，用来接收该模拟数字转换器输出的该数字讯号，并对该数字讯号进行滤波处理，以产生一滤波讯号；以及一最小均方(least-mean-square)模块，用来根据该数字滤波讯号进行一最小均方运算，以产生对应该模拟数字转换器的该误差；以及一误差修正装置，用来根据该误差校正该模拟数字转换器。

附图说明

图1为现有四层时间交错平行模拟数字转换器模块的功能方块图

图2为本发明时间交错模拟数字转换器的一实施例的功能方块图。

图3为图2所示中一组模拟数字转换器与校正装置的一实施例的功能方块图。

图4为图3所示的累加平均模块的一实施例的示意图。

图5为图3所示的最小均方模块的一实施例的示意图。

图6为图3所示的模拟数字转换器与校正模块进行前景校正的偏移量误差校正的示意图。

图7为图3所示的模拟数字转换器与校正模块进行前景校正的增益误差校正的示意图。

图8为图3所示的模拟数字转换器与校正模块进行背景校正的增益误差校正的示意图。

附图符号说明

100、200时间交错模拟数字转换器

210取样保持电路

112、114、116、118、222、224、226、228模拟数字转换器

232、234、236、238校正装置

120、240多工器

310误差修正装置

320偏移量误差估计模块

330增益误差估计模块

311、312、412、510加法器

313、413乘法器

321、324累加平均模块

322、325最小均方模块

410、530、532累加器

411、531延迟单元

420降频取样电路

430平均器

520步阶输出模块

323绝对值运算模块

具体实施方式

请参阅图2，图2为本发明四层时间交错模拟数字转换器200的一实施例的功能方块图。如图2所示，时间交错模拟数字转换器200包含有一取样保持电路(sample-hold circuit)210，多个模拟数字转换器222、224、226、228，多个校正装置(calibration device)232、234、236、238，以及一多工器240。其中各组件的耦接方式如图2所示。

时间交错模拟数字转换器200的基本原理与前述的时间交错模拟数字转换器100相同，皆分别利用多个模拟数字转换器作不同相位的取样，并且利用多工器将各个模拟数字转换器的输出结合为一较高频的数字讯号。

于本实施例中，取样保持电路210会根据时钟讯号CLK，对输入的模拟讯号进行取样，并保持模拟讯号的取样值；接着，取样保持电路210便于每个时钟周期将保持的取样值轮流地传递至模拟数字转换器222、224、226、228，以进行数字转换。

如前所述，模拟数字转换器222、224、226、228分别以不同的操作时钟CLK_0～CLK_3运作(其中每个时钟皆具有f/4的频率，但具有不同的相位0度、90度、180度、270度)；由于四个模拟数字转换器222、224、226、228所采用的时钟具有不同的相位，因此，对于时间交错模拟数字转换器200来说，等效上进行了频率f的取样操作。

于本实施例中，校正装置232、234、236、238用来消除模拟数字转换器222、224、226、228彼此之间的不匹配；举例来说，校正装置232、234、236、238可以将每一个模拟数字转换器222、224、226、228的增益误差与偏移量误差都调整成相同的值，譬如将增益误差与偏移量误差均调整为0。或是将模拟数字转换器224、226、228的增益误差与偏移量误差均调整与模拟数字转换器222相同，如此一来，则可简化或省略该校正装置232。最后，多工器240亦根据频率为f的时钟CLK进行运作，以轮流将各个校正装置232、234、236、238所输出的校正后数字讯号加以合并，以产生一数字讯号。如此便增加了模拟数字转换器整体的频宽。

请参阅图3，图3为图2所示中一组模拟数字转换器224与校正装置234的一实施例的功能方块图。由于每一组模拟数字转换器222～228与校正装置232～238可为相同或不同电路。

图3为本发明的校正装置的一实施例。如图3所示，校正装置234包含有一误差修正装置310以及一误差估计模块315。而误差修正装置310可依据估计出来的误差来修正模拟数字转换器224的数字输出。一实施例，该误差估计模块315包括有一偏移量误差估计模块320、以及一增益误差估计模块330。其中，偏移量误差估计模块320用来估计模拟数字转换器224的偏移量误差，增益误差估计模块330用来估计其增益误差，于本实施例中，误差修正装置310包含有加法器311、312与一乘法器313，误差修正装置310从前端的模拟数字转换器224接收其输出的数字讯号，并利用加法器311将估计出来的偏移量误差b_i从数字讯号中扣除，此外，乘法器313是与将数字讯号与估计的增益误差a_i进行乘法运算，再藉由加法器312把增益误差所造成的振幅扣除；如此一来，便可实现消除增益误差与偏移量误差的目的，最后，校正后的值由误差修正装置310输出至多工器240。

首先，对于偏移量误差估计模块320来说，如图3所示，偏移量误差估计模块320包含有一累加平均模块321以及一最小均方模块322。其中，累加平均模块321计算一预定时间内，模拟数字转换器224所输出的数字讯号的平均值；举例来说，累加平均模块321可计算模拟数字转换器224所输出的数字讯号中L个取样值的平均值Vi。

请参阅图4，图4为图3所示的累加平均模块321的一实施例的示意图。如图4所示，累加平均模块321包含有一累加器410、一降频取样电路420、以及一平均器430。其中，如图4所示，累加器410是以一延迟单元411与一加法器412实现的；换言之，模拟数字转换器224所输出的数字讯号在经过延迟单元411之后，便会经由回授路径回授至延迟单元411的输入端，因此数字讯号的振幅(取样值)便会被加法器412累加起来。

如前所述，累加平均模块321仅须计算一预定时间内，模拟数字转换器224所输出的数字讯号的平均值，因此于本实施例中，累加器410共累加L个取样值，再将结果输出给平均器430。为了实现前述的机制，于累加器410的回授路径中，还加入了一个乘法器413；该乘法器413是将延迟单元411的输出与一控制讯号ctl进行乘法运算，并将乘法后的结果回授至延迟单元411输入端的加法器412，以进行前述的累加操作。

如图4所示，控制讯号ctl仅具有1与0两个数值，并且控制讯号中每L个讯号1之间会插入一个讯号0。对于乘法器413来说，数值1代表乘法器413直接将延迟单元411的输出传递至加法器412，而数值0代表乘法器413会停止延迟单元411的输出；因此，当控制讯号ctl对应数值1时，加法器412会累加延迟单元411的输出；当累加了L个输出之后，控制讯号ctl便会对应数值0，以将累加值归零，以对之后的L个输出再次进行累加。

降频取样电路420用来对累加器410进行取样，以取出累加器410计算出来的累加值；于本实施例中，降频取样电路42会每L个讯号进行一次取样，以将延迟单元411的输出取出；在此请注意，降频取样电路420的取样相位必须要对准累加器输出的L个讯号中最后一个讯号，以正确地将L个讯号的累加值取出。最后，平均器430(譬如可为一除法电路)便会对累加值进行平均，以计算出模拟数字转换器224所输出的数字讯号中L个取样值的平均值Vi。

在此请注意，于前面的描述中，累加平均模块321的结构仅为本发明的一实施例，而非对本发明的限制。由于累加平均的操作在频率的观点上可以视为一种低通滤波操作，因此，前述的累加平均模块321可以使用各式各样的数字低通滤波器取代，并可选择加上或不加上降频取样电路；如此的相对应变化，亦属本发明的范畴。

请参阅图5，图5为图3所示的最小均方模块321的一实施例的示意图。如图5所示，最小均方模块321包含有一加法器510，一步阶(step size)输出模块520，以及一累加器530。最小均方模块322为一种回授电路，其可根据前述的平均值Vi输出估计的偏移量误差，以利其后的误差校正模块310进行校正；然而，最小均方模块322的特色在于每次仅输出一较小的差量(偏移量误差)，因此误差校正模块310每次仅对模拟数字转换器224的输出进行微调，如此一来，经过一段时间之后，校正后的讯号(平均值Vi)便会越来越接近消除不匹配之后的正确数值。

首先，累加器530的初始值可为0，这意味着系统于初始的时候并不会对模拟数字转换器224所输出的数字讯号进行任何的误差校正。而加法器510用来计算前述的平均值Vi与一参考讯号的差值。在此请注意，为了要消除模拟数字转换器222、224、226、228之间的不匹配，必须将模拟数字转换器的偏移量误差都调整成相同的数值。举例来说，可以将其中三个模拟数字转换器的偏移量误差与另外一个模拟数字转换器的偏移量误差看齐，由于该另外一个模拟数字转换器无须修正，故可简化一校正装置；或是更直观地，直接将每一个模拟数字转换器的偏移量误差都调整为0。

因此，于本发明的一实施例中，该参考讯号为另一模拟数字转换器(譬如模拟数字转换器222)的数字输出的平均值，这是为了要将模拟数字转换器224、226、228的偏移量误差均调整为与模拟数字转换器222相同，以消除模拟数字转换器222、224、226、228之间的不匹配。而于本发明的另一实施例中，参考讯号亦可对应地电位，这样的做法便是用来要将模拟数字转换器222、224、226、228的偏移量误差均调整为0，以消除彼此之间的不匹配。

接着，步阶(step size)输出模块520依据加法器510计算出的差值来输出一步阶讯号，而该步阶讯号反应出该差值的大小与方向，并且将用来作为前述的偏移量误差。而累加器530亦由一延迟单元531与一加法器532组成，用来将步阶输出模块520所输出的步阶讯号累加起来，并将累加的值传递至误差更正模块310，以作为偏移量误差之用；如前所述，累加器530于初始的时候并未储存有任何数值，因此累加器530一开始便会将步阶讯号直接送至误差校正模块310，以进行最初的偏移量误差校正；而接着，误差校正模块310便会将校正后的讯号送至偏移量误差估计模块320，因此，累积平均模块321便会再度对校正后的讯号进行平均运算，而最小均方模块322便再度根据校正后讯号的平均值估计出偏移量误差，如此反复地进行下去，最终便能解决模拟数字转换器之间偏移量不匹配的问题。

另一方面，对于增益误差估计模块330来说，如图3所示，增益误差估计模块330包含有一绝对值运算模块323，一累加平均模块324以及一最小均方模块325。其中，绝对值计算模块323用来将数字讯号进行绝对值运算，而累加平均模块324计算一预定时间内，模拟数字转换器224所输出的数字讯号的绝对值讯号的平均值(譬如计算L个绝对值讯号的平均值)，而最小均方模块325便根据L个绝对值讯号的平均值，输出一增益误差估计值。因此，误差校正模块310便可以依据增益误差估计值来校正数字讯号的增益误差，进而消除模拟数字转换器彼此间的增益不匹配。

于本实施例中，累加平均模块324与最小均方模块325的结构，功能与操作皆与前述的累加平均模块321与最小均方模块322相同，故在此并不另赘述；其中唯一不同之处在于累加平均模块324与最小均方模块325处理的是数字讯号进行绝对值运算后的绝对值讯号，这是由于增益是对讯号进行一定比例的放大，因此必须先将数字讯号进行绝对值运算，才能有对应增益的效果。

相同地，最小均方模块325为一种回授电路，其可根据前述的绝对值讯号的平均值估计出的增益误差，以利其后的误差校正模块310进行校正；然而，最小均方模块325的特色亦在于每次仅输出一较小的差量(增益误差)，因此误差校正模块310每次仅对模拟数字转换器224的输出进行增益误差的微调，如此一来，经过一段时间之后，校正后的讯号(或绝对值讯号的平均值)便会越来越接近消除讯号不匹配之后的正确数值。

此外，与前述的累加平均模块321相同，增益误差估计模块330中的累加平均模块324亦可以一数字低通滤波器加以实施。

在此请注意，其余的模拟数字转换器222、226、228与其对应的校正模块232、236、238的结构，操作与功能皆与前述的模拟数字转换器224与对应的校正模块234的操作相同；至此，本领域的技术人员应可理解其余各组模拟数字转换器222、226、228与其对应的校正模块232、236、238的功能与操作，故不另赘述于此。

此外，于前面的描述中，已经大致叙述了模拟数字转换器224与其对应校正模块234的操作，而在实际应用中，校正模块232～238是分成前景(foreground)校正与背景(background)校正两种操作手段，而这两种操作手段将于其后的描述中陈述。其中，所谓前景校正代表于整体系统尚未运作之前，便先对其中的模拟数字转换器222～228进行校正的手段；而背景校正代表当系统开始运作后，持续地对其中的模拟数字转换器222～228进行校正的手段。另外，于本实施例之中，校正模块222～228是先进行偏移量误差校正，再进行增益误差的校正。

在此请参阅图6，图6为图3所示的模拟数字转换器224与校正模块234进行前景校正的偏移量误差校正的示意图。如图6所示，于本实施例中，当偏移量误差校正在进行的时候，仅须使用到偏移量误差估计模块320(亦即先停止增益误差估计模块330的运作，并且将乘法器313所使用的增益误差设定为0)；此外，由于要进行偏移量误差的估计，因此希望能够尽量减少因为增益误差所造成的振幅不正确，所以，于本实施例中，输入至所有模拟数字转换器(222，224，226，228)的讯号会被设定为0，即所有模拟数字转换器均输入同一地电压V_gnd；如此一来，便可完全忽略增益误差所带来的振幅误差，换言之，模拟数字转换器224的初始输出便会等于偏移量误差。因此，校正模块234内部的偏移量误差估计模块320与误差校正模块310便会执行前述的运作(此时最小均方模块322的参考讯号亦可对应地电压)，以消除偏移量误差。如前所述，经过一段时间之后，校正模块234便可大致消除模拟数字转换器224的偏移量误差。消除了偏移量误差之后，便会进而对增益误差进行校正。

在此请参阅图7，图7为图3所示的模拟数字转换器224与校正模块234进行前景校正的增益误差校正的示意图。如图7所示，此时仅开启增益误差估计模块330来进行增益误差校正；此时，由于偏移量误差b_i已经经过前面的操作估计出来，因此便会持续输入加法器311中，所以在误差校正模块310的中，输入至加法器312与乘法器313的讯号已经消除了偏移量误差b_i。接着，校正模块234内部的增益误差估计模块330与误差校正模块310便会执行前述的运作，以消除增益误差a_i。举例来说，此时最小均方模块325的参考讯号可为另一模拟数字转换器(譬如模拟数字转换器222)的输出的平均绝对值，并且可利用多个不同的参考电平来进行增益校正的操作；如前所述，藉由绝对值计算模块323，累加平均模块324，与最小均方模块325的运作，经过一段时间之后，校正模块234便可大致消除模拟数字转换器224的增益误差平均a_i。经过第一次估计后，亦可改变参考电压V_ref至其它不同的正或负的电压值，再做估计，并于最后取其平均，进而得到更准确的a_i估计值。

相同地，其余各组模拟数字转换器222、226、228与其对应的校正模块232、236、238的功能与操作皆与前述的模拟数字转换器224与其对应的校正模块234相同，故不另赘述。因此，当前景校正结束之后，各个校正模块232、234、236、238皆已经使用了一估计的增益误差a_i与偏移量误差b_i，此外，各个模拟数字转换器222、224、226、228之间的输出振幅不匹配的问题，也已经藉由各校正模块232、234、236、238消除了。这代表了可以开始让时间交错模拟数字转换器200进行运作。

当时间交错模拟数字转换器200进行运作之后，时间交错模拟数字转换器200可于适当的时机转换为背景校正的运作。在此请参阅图8，图8为图3所示的模拟数字转换器224与校正模块234进行背景校正的增益误差校正的示意图。

如图8所示，当模拟数字转换器224与校正模块234进行背景校正时，偏移量误差估计模块320与增益误差估计模块330会一起运作，或轮流运作，以持续地对模拟数字转换器224的输出进行校正，而校正后的值是由误差修正装置310输出至多工器240。此时，于前景校正时所估计出来的增益误差a_i与偏移量误差b_i便用来作为背景校正时增益误差与偏移量误差的初始值；举例来说，前景校正时所估计出来的增益误差a_i与偏移量误差b_i可分别预先储存于最小均方模块322、325的延迟单元531中，以供后续的背景校正的用。

其后，各个校正模块232、234、236、238便持续地对模拟数字转换器222、224、226、228的输出进行校正，如此一来，当时间交错模拟数字转换器200进行运作时，模拟数字转换器222、224、226、228便不会有偏移量及振幅上的不匹配，也因此提升了时间交错模拟数字转换器200的整体效能。

在实际应用上，本发明可以应用在M层的时间交错模拟数字转换器，而不以四层为限。

此外，于前面的描述中，累积器，加法器，误差校正模块中的数字电路皆不以前述的实施例为限，本领域的技术人员可使用于提供相同功能的电路，皆属本发明的范畴。

此外，虽然于前述的实施例中，时间交错模拟数字转换器200的校正模块232、234、236、238均具有偏移量误差估计模块与增益误差估计模块，然而，这样的架构仅为本发明的一实施例，而非对本发明的限制。

以上虽以实施例说明本发明，但并不因此限定本发明的范围，只要不脱离本发明的要旨，本领域的技术人员可进行各种变形或变更。

Claims (15)

1.一种校正装置，其用来校正一模拟数字转换器，该校正装置包含：

一误差估计模块，包含：

一数字滤波器，用来接收一数字讯号，并对该数字讯号进行滤波处理，以产生一滤波讯号；以及

一最小均方模块，耦接至该数字滤波器，用来根据该滤波讯号进行一最小均方运算，以产生对应该数字讯号的一误差；以及

一误差修正装置，耦接至该误差估计模块，用来根据该误差校正该模拟数字转换器。

2.如权利要求1所述的校正装置，其中该数字滤波器包含有：

一累加器，用来累加该数字讯号，以产生一累加讯号；以及

一平均器，耦接至该累加器，用来平均该累加讯号，以产生该滤波讯号。

3.如权利要求1所述的校正装置，其中该最小均方模块包含有：

一计算单元，用来计算该滤波讯号与一参考讯号的差值；

一步阶输出模块，用来根据该差值，输出一相对应的步阶值；以及

一累加器，用来累加该步阶值，以输出该误差。

4.如权利要求1所述的校正装置，其中该误差修正装置包含有：

一加法器，用来根据该误差校正该模拟数字转换器，以输出一校正讯号。

5.如权利要求1所述的校正装置，其中该误差估计模块为一偏移量误差估计模块，用来估计该模拟数字转换器输出的一偏移量误差，该误差为该偏移量误差。

6.如权利要求1所述的校正装置，其中该误差估计模块为一增益误差估计模块，用来估计该模拟数字转换器输出的一增益误差，该误差为该增益误差。

7.一种时间交错模拟数字转换器，包含有：

多个模拟数字转换器，用来分别由不同的相位的时钟讯号所驱动，以将一模拟输入讯号，转换为多个数字讯号；

多个校正模块，分别耦接至该多个模拟数字转换器，用来校正该多个模拟数字转换器所输出的该多个数字讯号，以产生多个校正后讯号，该多个校正模块中至少一校正模块包含有：

一误差估计模块，用来估计该多个模拟转换器中一模拟数字转换器输出的一数字讯号的一误差，该误差估计模块包含有：

一数字滤波器，用来接收该模拟数字转换器输出的该数字讯号，并对该数字讯号进行滤波处理，以产生一滤波讯号；以及

一最小均方模块，耦接至该数字滤波器，用来根据该滤波讯号进行一最小均方运算，以产生对应该数字讯号的该误差；以及

一误差修正装置，耦接至该误差估计模块，用来根据该误差校正该模拟数字转换器输出的该数字讯号，以产生一校正后数字讯号；以及

一结合电路，耦接至该多个校正模块，用来根据一预定时钟，将该多个校正后讯号结合成一数字输出讯号。

8.如权利要求7所述的时间交错模拟数字转换器，其中该数字滤波器包含有：

一累加器，用来累加该数字讯号，以产生一累加讯号；以及

一平均器，耦接至该累加器，用来平均该累加讯号，以产生该滤波讯号。

9.如权利要求7所述的时间交错模拟数字转换器，其中该最小均方模块包含有：

一计算单元，用来计算该滤波讯号与一参考讯号的差值；

一步阶输出模块，用来根据该差值，输出一相对应的步阶值；以及

一累加器，用来累加该步阶值，以输出该误差。

10.如权利要求9所述的时间交错模拟数字转换器，其中该参考讯号为一地电压或为该多个校正模块中另一校正模块的数字滤波器所输出的数字滤波讯号。

11.如权利要求7所述的时间交错模拟数字转换器，其中该误差修正装置包含有一加法器，用来依据该误差与该数字讯号，以产生该校正后数字讯号。

12.如权利要求7所述的时间交错模拟数字转换器，其中该误差估计模块为一偏移量误差估计模块，用来估计该模拟数字转换器输出的一偏移量误差，该误差为该偏移量误差。

13.如权利要求7所述的时间交错模拟数字转换器，其中该误差估计模块为一增益误差估计模块，用来估计该模拟数字转换器输出的一增益误差，该误差为该增益误差。

14.一种时间交错模拟数字转换器，包含有：

多个模拟数字转换器，用来分别由不同的相位的时钟讯号所驱动，以将一模拟输入讯号，转换为多个数字讯号；

多个校正模块，分别耦接至该多个模拟数字转换器，用来校正该多个模拟数字转换器所输出的该多个数字讯号，以产生多个校正后讯号；以及

一结合电路，耦接至该多个校正模块，用来根据一预定时钟，将该多个校正后讯号结合成一数字输出讯号；

其中，该时间交错模拟数字转换器是先进行一前景校正，再进行一背景校正。

15.一种时间交错模拟数字转换器，包含有：

多个模拟数字转换器，用来分别由不同的相位的时钟讯号所驱动，以将一模拟输入讯号，转换为多个数字讯号；

多个校正模块，分别耦接至该多个模拟数字转换器，用来校正该多个模拟数字转换器的一偏移量误差以及一增益误差，以依据该多个数字讯号来产生多个校正后讯号；以及

一结合电路，耦接至该多个校正模块，用来根据一预定时钟，将该多个校正后讯号结合成一数字输出讯号；

其中，该多个校正模块是先校正该多个模拟数字转换器的该移量误差，再校正该多个模拟数字转换器的该增益误差。

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