CN102723949A - 一种适用于流水线型模数转换器的数字后台校正方法 - Google Patents

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本发明公开了一种适用于流水线型模数转换器的数字后台校正方法，通过加入伪随机量，能得到采样电容失配和运算放大器谐波系数的信息，进而可实现对流水线型模数转换器总输出的校正。本发明方法具有收敛时间短，误差估计精度高的优点，大大提高了模数转换器的性能。

Description

一种适用于流水线型模数转换器的数字后台校正方法
技术领域
本发明涉及模数转换器领域，具体为一种适用于流水线型模数转换器的数字后台校正方法。
背景技术
模数转换器是将模拟信号转换为数字信号的部件。模数转换器分为奈奎斯特速率模数转换器和过采样率模数转换器。奈奎斯特速率模数转换器又包括逐次逼近型模数转换器(successive approximation register, SAR ADC)、全并行快闪型模数转换器(flash ADC)、流水线型模数转换器(pipelined ADC)等。在各种结构的模数转换器中，全并行快闪模数转换器的结构最简单，也是速度最快的，输入的模拟信号经过一串由电阻串分压作为阈值电压的比较器，就可以得到数字码。其模拟到数字的转换只要一个时钟周期，但是随着分辨率的增加，所需的比较器的数目按指数增加，增加了电路的成本和功耗，因此不适合应用于高分辨率的应用。过采样率模数转换器由于其转换原理，也限制了其有效工作的带宽，同时也限制了其转换速度。所以，当模数转换器所需的工作带宽对于过采样模数转换器来说过高而不能有效工作，而且当所需的分辨率对于全并行快闪模数转换器来说过高以至于所需的比较器数目过于庞大而不现实的时候，流水线模数转换器就表现出了其独特的优势，它具有高速高分辨率的特点，是一个用最为广泛的模数转换器。
图1是采用每级2.5比特的流水线型转换器的结构框图，其中整个模数转换器的分辨率为14比特。该模数转换器包含6级每级为2.5比特的子转换电路、最后一级全并行快闪转换电路以及数字校正及时序对准电路。该模数转换器省去了传统的模数转换器中的采样保持电路，模拟信号直接输入第一级转换电路。第一级转换电路的单端结构如图2所示，其中子ADC用了6个比较器，当Φ1为高电平的时候，采样电容C1,C2,C3,C4的左端与输入信号相接，右端接地，即电容对输入信号采样；在Φ1高电平结束的时候，电容所存储的电荷量对应当前输入的电压值，这个相位下的电路的等效电路如图3所示。当Φ2为高电平的时候，采样电容的左端与控制信号相接，其中控制信号则根据输入信号的大小，为+Vref或-Vref ，右端与反馈电容Cf的左端相接，反馈电容的右端与余量运算放大器的输出相接，等效电路如图4所示。这一阶段称为信号的放大阶段，因为这时候余量运算放大器的输入输出通过反馈电容相接，而由于运算放大器输入端的虚短作用，采样电容中的电荷就会转移到反馈电容中不去。这时余量运算放大器工作在闭环状态，当只考虑余量运算放大器的一阶和三阶谐波失真的时候，其输出信号与输入信号的关系为：
其中α1为运算放大器的一阶谐波失真系数，也即线性失真系数； α3为运算放大器的三阶谐波失真系数。
因此，余量运算放大器的输出电压VRes除了由模拟输入、控制信号D(i)、采样电容C1，C2，C3，C4和反馈电容Cf的比值、以及参考电压Vref共同决定外，还要由余量运算放大器的增益决定。这样，余量运算放大器的输出就可以由公式(2)表示。当采样电容与反馈电容匹配并且余量运算放大器的没有谐波失真时，输入与输出就是精确的4倍关系,如公式(3)。
由此得出第一级的理想传递函数如图5所示。第二级到第六级的子ADC的结构与第一级完全一样，最后一级为2比特的并行快闪ADC。当输入的模拟信号经过这七级流水级转换电路之后，每一级都会得到相应的数字码，最后把这些数字码按照时序匹配好，组合就得到最终的14比特输出。
因为在实际电路以及工艺中，电容都会存在失配，运算放大器也会引入谐波失真，这都会影响到整个流水线模数转换器的性能。
目前，用数字后台校正技术校正电容失配以及校正运放失真的技术已有不少。但是，很少有能同时校正电容失配以及运算放大器谐波失真的技术，要么就是这些方法非常复杂，要么就是收敛时间很长。
发明内容
本发明目的是提供一种适用于流水线型模数转换器的数字后台校正方法，以解决流水线型模数转换器中存在电容失配和运算放大器谐波失真的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种适用于流水线型模数转换器的数字后台校正方法，所述流水线型模数转换器由多级模数转换器构成，每级模数转换器中设置有采样电容和运算放大器，模拟信号依次通过多级模数转换器后输出，其特征在于：在第一级的放大阶段，首先选取第一级模数转换器中的多个采样电容，并向所选取的采样电容施加数字量已知的第一级伪随机量，模拟信号、第一级伪随机量经过第一级模数转换器后，再依次经过第二级到第七级流水线模数转换器转换后，得到第一级数字余量；再将第一级数字余量减去第一级伪随机量的数字量，得到第一级剩余数字量；然后利用伪随机量的相关性，将第一级伪随机量的数字量乘以第一级剩余数字量，再作累加求和取平均运算，得到第一级伪随机量所产生的偏差量，第一级伪随机量所产生的偏差量反映第一级模数转换器中采样电容失配以及运算放大器谐波系数的信息；最后用第一级伪随机量所产生的偏差量对所述第一级剩余数字量进行校正，校正后的第一级剩余数字量与第一级模数转换器输出的数字信号组合，作为校正后的流水线型模数转换器的总输出值。
所述的一种适用于流水线型模数转换器的数字后台校正方法，其特征在于：对于第二级模数转换器，在采样阶段，对第一级模数转换器输出的模拟信号进行采样。在放大阶段，选取第二级模数转换器中的多个采样电容，并向所选取的采样电容中施加与第一级模数转换器中伪随机量不相干的数字量已知的第二级伪随机量，第一级模数转换器输出的模拟信号、第二级伪随机量经过第二级模数转换器后，再依次经过第后续多级模数转换器转换后，得到第二级数字余量；再将第二级数字余量减去第二级伪随机量的数字量，得到第二级剩余数字量；然后利用伪随机量的相关性，将第二级伪随机量的数字量乘以第二级剩余数字量，再作累加求和取平均运算，得到第二级伪随机量所产生的偏差量，第二级伪随机量所产生的偏差量反映第二级模数转换器中采样电容失配及运算放大器谐波系数的信息；最后用第二级伪随机量所产生的偏差量对所述第二级剩余数字量进行校正，校正后的第二级剩余数字量与第二级模数转换器输出的数字信号组合，作为校正后的第一级数字余量。
本发明方法既能校正流水线型模数转换器中电容的失配，又能同时对运算放大器的谐波失真进行校正，并且在不影响整个模数转换器正常工作的前提下，实时更新对电容的失配和运算放大器的谐波的校正，具有收敛时间短，误差估计精度高的优点，大大提高了模数转换器的性能。
附图说明
图1是每级2.5比特结构的传统流水线模数转换器的示意图。
图2是每级2.5比特转换电路的内部结构示意图。
图3是每级2.5比特转换电路在采样阶段的电路图。
图4是每级2.5比特转换电路在放大阶段的电路图。
图5是每级2.5比特转换电路的输入输出的理想传递曲线图。
图6是加入伪随机量之后的第一级转换电路的内部结构。
图7是整个电路以及数字校正原理的框图。
具体实施方式
流水线型模数转换器中，第一级模数转换器的实际电路由于工艺的原因，电容不可能完全的匹配，运算放大器也会存在谐波失真。后面几级的模数转换器电路中也会存在这样的情况。但是由于连续流水级之间的放大作用，所以后面几级的电容失配和运算放大器谐波失真等效到输入端的时候，就会很小，所以一般只考虑对前两级的电容的失配和运算放大器的谐波的校正。
在第一级模数转换器的电路中，由于存在电容失配以及运算放大器的谐波失真，所以余量放大器的输出就由公式(2)表示。为了对电容失配以及运算放大器谐波失真进行校正，运用的思想就是在电路的放大阶段，在第一级模数转换器的采样电容中选择几个电容加入一定的伪随机量，使得这些伪随机量与模拟信号一起，经过第一级模数转换器的电容失配以及运算放大器谐波的作用，在第一级模数转换器的运算放大器的输出中表现出来，然后再经过后面几级的模数转换电路后得到数字余量。这个数字余量既包含了输入的模拟信号的信息，也包含了加入的伪随机量的信息。但是由于存在电容失配以及放大器谐波失真，这个数字余量与输入的模拟信号和伪随机量并不是精确的对应关系，而是有一定的偏差。又由于加入的伪随机量的幅值是一定的，所以加入的伪随机量所对应的精确的数字量是可以事先知道的，这样，把数字余量减去所加入的伪随机量所对应的精确的数字量之后得到剩余数字量，剩余数字量包含这样的信息：输入的模拟信号部分、输入的模拟信号所产生的偏差部分、伪随机量所产生的偏差部分。然后利用伪随机量的相关性，用伪随机量乘以剩余数字量，再作累加求和取平均运算，因为输入的模拟信号部分以及输入的模拟信号所产生的偏差部分与伪随机量不相关，所以累加后这两部分的值趋向于零，最后只保留了伪随机量所产生的偏差量。伪随机量所产生的偏差量可反映电容失配以及运算放大器谐波系数的信息。然后用根据伪随机量所产生的偏差量对数字余量进行校正，最后把校正后的数字余量与第一级模数转换器输出的数字信号组合，作为校正后的流水线型模数转换器的输出值。
对于第二级模数转换器，在采样阶段，对第一级模数转换器输出的模拟信号进行采样。在放大阶段，选取第二级模数转换器中的多个采样电容，并向所选取的采样电容中施加与第一级模数转换器中伪随机量不相干的数字量已知的第二级伪随机量，第一级模数转换器输出的模拟信号、第二级伪随机量经过第二级模数转换器后，再依次经过第后续多级模数转换器转换后，得到第二级数字余量；再将第二级数字余量减去第二级伪随机量的数字量，得到第二级剩余数字量；然后利用伪随机量的相关性，将第二级伪随机量的数字量乘以第二级剩余数字量，再作累加求和取平均运算，得到第二级伪随机量所产生的偏差量，第二级伪随机量所产生的偏差量反映第二级模数转换器中采样电容失配及运算放大器谐波系数的信息；最后用第二级伪随机量所产生的偏差量对所述第二级剩余数字量进行校正，校正后的第二级剩余数字量与第二级模数转换器输出的数字信号组合，作为校正后的第一级数字余量。
具体实施例：
在具体实施方式中，根据要提取出来的运算放大器的最高次谐波系数的要求，在采样电容中加入伪随机量的个数就要和最高次谐波的阶数相等。这样，根据相关性运算，才能得到最高次谐波的系数，而较低次谐波的系数也能根据相应的收敛值得到。对于采样电容失配的信息的提取，只要跟踪其中一个注入随机量的电容，就能得到这个采样电容的失配信息，为了提取所有的采样电容失配的信息，跟踪的采样电容要不断地变换，也即采样电容有一个轮换的过程。
根据在采样电容中加入伪随机量的思想，选择加入伪随机量的电容后面提取出来的信息只包含当前这个电容的失配以及放大器谐波失真的信息。为了要提取所有采样电容的电容失配的信息，要使采样电容不断地轮换采样，也就是注入的伪随机信号量要不断得更换电容注入。同时要提取的余量放大器的谐波失真系数最高为三阶，所以根据伪随机量相关性的要求，必须要有3个伪随机量同时加入，也就是要同时用3个电容注入伪随机信号。因为在一个电容中注入的伪随机信号的幅度为Vref，而余量放大器的闭环增益是由对信号采样的电容与反馈电容的比值决定的，为了使得加入随机信号之后的第一级余量放大器的输出不溢出，并且能接收的输入信号的范围尽可能大，就必须把电容拆分为几个等值的小电容，而总的采样电容和反馈电容的值不变。
这里把每个采样电容拆分为8等分，即注入的3个随机量的值分别为±1/8Vref的值。加入伪随机量之后的第一级转换电路的内部结构如图6所示。其中电容端加入的伪随机量由PNinj(1),PNinj(2),PNinj(3)控制，而电容的换序模块由PN2控制。
加入伪随机量之后的第一级转换电路的余量放大器的输出为：
当这个输出经过后面6级转换电路之后可以得到其相应的数字码，这些数字码同样包含了这些信息。然后把这个数字码与伪随机序列PNinj(1)相乘，并且做累加求和取平均，得到：
同样地，把数字码与伪随机序列PNinj(1)×PNinj(2)×PNinj(3)相乘，并且做累加求和取平均，得到：
由(6)式得到的结果只包含了放大器的第三阶谐波失真以及对应的三个注入电容的信息。为了简化运算，这里先假设这三个电容没有失配，这样就可以得到运算放大器的第三阶谐波系数α3的一个估计值。然后把得到的α3的估计值代入(5)式中，其中(5)式中的第三项的平方项可由下面的收敛式给出：
而(5)式中第三项的最后的电容比值以及最后第四项的电容比值都用理想的比值代入，这样既可基本抵消(5)式中的第三和第四项，得到只包含电容失配以及放大器一阶谐波的估计值，如下公式(8):
其中
Figure BDA0000179230549
由电容的实际比值得到。
当跟踪不同的注入电容的时候，同样可以得到(1+α1)×DELTi(j)，i=1,2,…,4;j=1,2,…,8。即所有电容失配的信息是和放大器的一阶谐波是同时出来的。下面就可以对放大器的输出余量VRes进行校正了。
先把(4)式中的最后一项消除，还是用VRes代替代表没有谐波失真的表达式，用α3去乘以其立方，然后把VRes减去乘出来的积，既可基本消除三阶谐波的影响，得到式(9)。
然后再把(9)式重新整理可得到：
由(10)式可以看出，后面两项都可以由前面的收敛式(1+α1)×DELTi(j)表示，先把后两项抵消掉，再对剩下的第一项做处理即可得到(11)式：
把（11）式除以4即可得到校正之后的输入信号的数字码。
在电路实现的时候，对于用于注入随机信号的电容的选择和轮换，由序列PN2来控制，在后面对于数字余量的处理过程中的相应的求和累加平均也要有PN2来控制，把不同电容所对应的数字余量分开来累加，电路逻辑的实现就要由多路选择器来完成。整个电路以及数字校正原理的框图如图7所示。

Claims (2)

1.一种适用于流水线型模数转换器的数字后台校正方法，所述流水线型模数转换器由多级模数转换器构成，每级模数转换器中设置有采样电容和运算放大器，模拟信号依次通过多级模数转换器后输出，其特征在于：模拟信号输入至第一级模数转换器时，首先选取第一级模数转换器中的多个采样电容，并向所选取的采样电容施加数字量已知的伪随机量，模拟信号、伪随机量经过第一级模数转换器后，再依次经过第一级模数转换器后的多级模数转换器转换后得到数字余量；再将数字余量减去第一级模数转换器中施加的伪随机量的数字量，得到剩余数字量；然后利用伪随机量的相关性，将第一级模数转换器中施加的伪随机量乘以剩余数字量，再作累加求和取平均运算，得到伪随机量所产生的偏差量，伪随机量所产生的偏差量反映第一级模数转换器中采样电容失配以及运算放大器谐波系数的信息；最后用伪随机量所产生的偏差量对所述数字余量进行校正，校正后的数字余量与第一级模数转换器输出的数字信号组合，作为校正后的流水线型模数转换器的输出值。
2.根据权利要求1所述的一种适用于流水线型模数转换器的数字后台校正方法，其特征在于：对于第二级模数转换器，在采样阶段，对第一级模数转换器输出的模拟信号进行采样；
在放大阶段，选取第二级模数转换器中的多个采样电容，并向所选取的采样电容中施加与第一级模数转换器中伪随机量不相干的数字量已知的第二级伪随机量，第一级模数转换器输出的模拟信号、第二级伪随机量经过第二级模数转换器后，再依次经过第后续多级模数转换器转换后，得到第二级数字余量；再将第二级数字余量减去第二级伪随机量的数字量，得到第二级剩余数字量；然后利用伪随机量的相关性，将第二级伪随机量的数字量乘以第二级剩余数字量，再作累加求和取平均运算，得到第二级伪随机量所产生的偏差量，第二级伪随机量所产生的偏差量反映第二级模数转换器中采样电容失配及运算放大器谐波系数的信息；最后用第二级伪随机量所产生的偏差量对所述第二级剩余数字量进行校正，校正后的第二级剩余数字量与第二级模数转换器输出的数字信号组合，作为校正后的第一级数字余量。
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