直流失调校准系统及直流失调校准方法
技术领域
本发明涉及微电子学与固体电子学的射频与模拟集成电路设计领域,尤其是直流失调校准系统及直流失调校准方法。
背景技术
近年来,无线通信技术发展迅速,诸如智能手机、平板电脑、笔记本电脑等具有无线通信功能的设备应用越来越广泛,大大方便了人们的日常工作和生活。人们对无线设备便携性的需求使得低功耗和高集成度在无线收发机设计中变得越来越重要。在无线收发机中,接收机的设计往往是关键。
在常见的无线接收机结构中,零中频接收机在低功耗和高集成度方面具有较大优势,很适合应用在当今的无线设备中。不过,由于零中频接收机的中频信号位于基带,直流失调直接叠加在了有用信号上。直流失调经过逐级放大后很容易导致接收机链路直流工作点偏移甚至饱和,所以直流失调的消除技术在零中频接收机的设计中十分关键。目前应用于零中频接收机的传统直流失调消除方法总体上分为模拟消除方法和混合信号校准方法两大类。
传统模拟消除的方法主要有交流耦合、模拟反馈和前馈等,这些电路在幅频响应上等效于高通滤波器,把直流信号和一部分低频信号滤除,达到抑制直流失调的效果。由于零中频接收机的中频信号位于基带,而且多数常见调制信号在低频处能量很集中,所以模拟消除方法会滤除部分有用信号。为了减小对有用信号的影响,等效的高通截止频率需要很低,也就意味着模拟消除方法需要很大的电阻和电容,消耗很大的芯片面积,不利于降低成本和提高集成度。
传统的混合信号校准方法主要分为连续校准和预校准两种。这两种混合信号校准方法通常都是检测接收机的直流失调,然后利用数字电路来控制相关电路的直流电平,达到校准直流失调的效果。对于连续校准方法来说,连续工作的电路会导致持续的功率消耗,不利于低功耗设计。对于预校准方法来说,接收机的输出直流失调电压是与中频增益相关的,所以该方法需要在不同的增益下分别进行校准,并且建立查找表存储不同增益下的校准结果。接收机的中频增益往往很大,并且步长精细,这意味着该方法需要比较长的校准时间和较大的存储空间。比较长的校准时间会影响接收机的建立速度,较大的存储空间消耗较大的芯片面积,不利于降低成本和提高集成度。
通过上述分析可以看出,传统的几种直流失调校准方法都难以同时满足零中频接收机对低功耗、高集成度和低成本的需求。能够节约芯片面积和功耗的新型直流失调校准方法变得十分重要。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是,提供一种直流失调校准系统及直流失调校准方法,用以满足零中频接收机对低功耗、高集成度和低成本的需求,实现节省芯片面积以及降低成本的目的。
(二)技术方案
为解决上述技术问题,本发明提供一种直流失调校准系统,包括:接收机模块、采样比较模块、数字控制器和数模转换器;所述接收机模块包括射频电路以及与所述射频电路输出端电连接的直流失调电路组;所述直流失调电路组包括n级串联的直流失调电路,所述直流失调电路包括等效差分放大器,所述等效差分放大器包括正输入端、正输出端、负输入端以及负输出端;其中,n为正整数;
所述接收机模块通过第i级直流失调电路的正输出端i和负输出端i分别输出直流共模电压Vopi和Voni;其中,i为正整数,1<=i<=n;
所述采样比较模块,用于根据接收机模块输出的直流共模电压Vopi和Voni得到直流共模电压差△Vopi和△Voni,并基于所述△Vopi和△Voni进行比较判决,得到判决结果;
所述数字控制器,用于根据所述判决结果向所述DAC发送相应的输入控制字,并向所述接收机模块发送相应的增益控制指令;
所述数模转换器,用于接收所述数字控制器传送的输入控制字,并根据接收的输入控制字输出相应模拟电压信号,并将所述相应模拟电压信号输入到所述接收机模块,使所述接收机模块输出的直流共模电压Vopi和Voni逐步接近基准共模电压0.5VDDi,其中,VDDi为第i级直流失调电路的内部工作电压。
具体的,所述采样比较模块包括:
第一电容,其一端连接所述接收模块第i级直流失调电路的正输出端i,用于采集所述接收模块的直流共模电压Vopi;
第二电容,其一端连接所述接收模块第i级直流失调电路的负输出端i,用于采集所述接收模块的直流共模电压Voni;
第一开关,其一端连接第一电容的另一端,其另一端接地;
第二开关,其一端连接第二电容的另一端,其另一端接地;
比较器,其正输入端连接于所述第一电容与第一开关的公共节点,其负输入端连接于所述第二电容与第二开关的公共节点,其输出端与所述数字控制器连接;所述比较器用于根据接收机模块输出的直流共模电压Vopi和Voni计算得到直流共模电压差△Vopi和△Voni,并基于所述△Vopi和△Voni进行比较判决,并将得到的判决结果发送至所述数字控制器。
具体的,所述数模转换器包括n个子数模块转换器DAC,所述DAC与直流失调电路组一一对应连接。
具体的,所述数字控制器包括n条传送增益控制指令的增益控制线,所述增益控制线与直流失调电路组一一对应连接。
具体的,所述等效差分放大器为增益可编程放大器PGA或低通滤波器LPF。
为解决上述技术问题,本发明还提供另一种技术方案:提供一种直流失调校准方法,包括:
S401、数字控制器向接收机模块发送第一增益控制指令,控制接收机模块固定第2~n级直流失调电路的增益,并将第1级直流失调电路的增益设置为最小;
采样比较模块采集接收机模块输出的直流共模电压Vop1和Von1;
S402、数字控制器向接收机模块发送第二增益控制指令,控制接收机模块将第1级直流失调电路的增益设置为最大;
采样比较模块采集接收机模块输出的直流共模电压Vop1’和Von1’;
S403、采样比较模块基于直流共模电压Vop1和Von1、Vop1’和Von1’,得到直流共模电压差△Vop1和△Von1,基于所述△Vop1和△Von1进行比较判决并将得到的判决结果发送至所述数字控制器;
S404、数字控制器根据所述判决结果向数模转换器1发送相应的输入控制字,改变DAC1的输出电压,进而改变第1级直流失调电路的直流输出失调;
S405、重复上述S403和S404,直至所述△Vop1和△Von1之差处于预置的电压范围内。
具体的,所述采样比较模块通过第一电容和第二电容分别采集接收机模块输出的直流共模电压Vopi和Voni。
具体的,所述S403中采样比较模块基于所述△Vop1和△Von1进行比较判决包括:
若△Vop1大于△Von1,则采样比较模块输出判决结果为1;
若△Vop1小于△Von1,则采样比较模块输出判决结果为0。
为解决上述技术问题,本发明还提供另一种技术方案:提供一种直流失调校准方法,包括:
S501、数字控制器向接收机模块发送第一增益控制指令,控制接收机模块固定除第j级直流失调电路外其他所有直流失调电路的增益,并将第j级直流失调电路的增益设置为最小;其中,j为正整数,1<=j<=n-1;
采样比较模块采集接收机模块输出的直流共模电压Vopj和Vonj;
S502、数字控制器向接收机模块发送第二增益控制指令,控制接收机模块将第j级直流失调电路的增益设置为最大;
采样比较模块采集接收机模块输出的直流共模电压Vopj’和Vonj’;
S503、采样比较模块基于直流共模电压Vopj和Vonj、Vopj’和Vonj’,得到直流共模电压差△Vopj和△Vonj,基于所述△Vopj和△Vonj进行比较判决并将得到的判决结果发送至所述数字控制器;
S504、数字控制器根据所述判决结果向数模转换器j发送高输入控制字,改变DACj的输出电压,进而改变第j级直流失调电路的直流输出失调;
S505、重复上述S503和S504,直至所述△Vopj和△Vonj之差处于预置的第一电压范围内;
S506、数字控制器向接收机模块发送第一增益控制指令,控制接收机模块固定除第k级直流失调电路外其他所有直流失调电路的增益,并将第k级直流失调电路的增益设置为最小;其中,k为正整数,1<=k<=n;
采样比较模块采集接收机模块输出的直流共模电压Vopk和Vonk;
S507、数字控制器向接收机模块发送第二增益控制指令,控制接收机模块将第k级直流失调电路的增益设置为最大;
采样比较模块采集接收机模块输出的直流共模电压Vopk’和Vonk’;
S508、采样比较模块基于直流共模电压Vopk和Vonk、Vopk’和Vonk’,得到直流共模电压差△Vopk和△Vonk,基于所述△Vopk和△Vonk进行比较判决并将得到的判决结果发送至所述数字控制器;
S509、数字控制器根据所述判决结果向数模转换器k发送低输入控制字,改变DACk的输出电压,进而改变第k级直流失调电路的直流输出失调;
S510、重复上述S508和S509,直至所述△Vopk和△Vonk之差处于预置的第二电压范围内。
(三)有益效果
区别于背景技术,本发明把接收机模块的所有直流失调都等效成为直流失调独立于中频增益的直流失调电路,直流失调校准时不需要建立失调与放大器增益的查找表,节省了芯片面积,降低了成本。该校准方法得到的校准结果可以保证接收机的残余直流失调电压在不同的中频增益下都很小,不需要连续工作,大大降低了功耗。
附图说明
图1是本发明失调校准系统的原理模型;
图2是图2所示原理模型的电路图;
图3是本发明一实施方式直流失调校准系统结构图;
图4是一实施方式中基于图1所述系统的一种直流失调校准方法;
图5是另一实施方式中基于图1所述系统的另一种直流失调校准方法;
图6是经图5方法校准后最后一级直流失调电路输出的总残余失调的典型瞬态波形图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚,下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
在介绍本发明具体实施方式前,先介绍本发明直流失调校准系统的原理模型及原理图,请参阅图1及图2。如图1所示,发明人提出了一种新型直流失调模型,包括一个理想放大器A、等效在电路输入端的失调电压源Vos,i和等效在电路输出端的失调电压源Vos,o,此电路模型使得失调独立于中频放大器增益,可以降低功耗和成本。图2虚线框内所示为放大器的典型结构,包括差分输入管M1和M2、负载电路Zp和Zn以及偏置电流源IB,许多复杂的放大器结构都由虚线框内的基本结构演变而来,此处以该基本结构为例分析失调模型。传统的模型是将直流失调仅等效为电路模块的输入失调或仅等效为输出失调,这两种等效方式得到的失调电压都与电路的增益有关,应用传统模型进行失调校准时往往需要建立查找表存储不同增益下的校准结果,会占用较大的存储空间以及消耗较大的芯片面积。通过分析图1及图2提供的新模型电路模块的失调来源,发现输出失调既包含独立于增益的部分,又包含与增益线性相关的部分,即该结构的直流失调来源于M1和M2的失配以及Zp和Zn的失调。其中,M1和M2的失配所导致的失调电压会被放大,在输出端看来与增益线性相关,但将其等效在放大器输入端,记为Vos,i,这样Vos,i的大小仅与M1和M2失配的程度有关,与放大器增益无关;Zp和Zn的失调不经过放大直接输出,将其等效在放大器输出端,记为Vos,o,Vos,o的大小仅与Zp和Zn失配的程度有关,与放大器增益无关。这样Vos,i和Vos,o的值都与电路增益无关。总输出失调电压Vos可以用下式表示:Vos=AVos,i+Vos,o。
通过上述分析可知,图1及图2或其等效的电路模型使得直流失调独立于中频放大器增益,将直流失调分解为输入失调和输出失调两部分,这两部分失调电压随放大器增益变化保持恒定。由于上述电路模型的直流失调独立于中频放大器增益,那么在多级失调电路的应用中直流失调校准时不需要建立失调与放大器增益的查找表,可降低芯片面积以及减少相应存储空间,降低功耗和成本。上述电路模型适用于多种常见的放大器电路结构,可用于分析接收机中的直流失调,本发明直流失调校准系统则是基于上述电路模型提出的。
请参阅图1,本实施方式提供了一种直流失调校准系统,包括:接收机模块、采样比较模块、数字控制器和数模转换器。所述接收机模块包括射频电路以及与所述射频电路输出端电连接的直流失调电路组;所述直流失调电路组包括n级串联的直流失调电路,所述直流失调电路包括等效差分放大器,所述等效差分放大器包括正输入端、正输出端、负输入端以及负输出端;其中,n为正整数。在图1中,等效差分放大器为增益可编程放大器PGA或低通滤波器LPF。具体的,把接收机模块的中频电路划分为n级串联,LPF位于第m级,m取值在1~n之间。当m=1时,表示LPF位于接收机链路第一级;m=n时,表示LPF位于链路最后一级;其他情况下,LPF的前级和后级均有PGA。常见的接收机模块的中频结构都可以做类似地划分,通常n在3~6之间。在本实施方式中,采样比较模块包括:第一电容C1、第二电容C2、第一开头S1、第二开关S2以及比较器。此采样比较模块是基于采样保持原理的运算电路,能够巧妙区分不同电路的失调电压,有效提高校准精度,其具体电路结构如下。
第一电容C1的一端连接所述接收模块第i级直流失调电路的正输出端i,用于采集所述接收模块的直流共模电压Vopi;第一电容C1的另一端连接第一开关S1的一端,第一开关S1的另一端接地。在这里,第一电容C1连接接收模块最后一级直流失调电路的正输出端n。
第二电容C2的一端连接所述接收模块第i级直流失调电路的负输出端i,用于采集所述接收模块的直流共模电压Voni;第二电容C2的另一端连接第二开关S2的一端,第二开关S2的另一端接地。在这里,第二电容C2连接接收模块最后一级直流失调电路的负输出端n。
比较器,其正输入端连接于所述第一电容C1与第一开关S1的公共节点,其负输入端连接于所述第二电容C2与第二开关S2的公共节点,其输出端与所述数字控制器连接。
数模转换器包括n个子数模块转换器DAC,数字控制器包括n条传送增益控制指令的增益控制线和n条校准控制线,所述增益控制线与n级直流失调电路一一对应连接,校准控制线与子数模块转换器DAC一一对应连接,所述子数模块转换器DAC与n级直流失调电路一一对应连接。在本实施方式中,增益控制线、校准控制线分别与n级直流失调电路一一对应连接,此设置可使对本实施方式提供的直流失调校准系统进行直流失调校准时,增益控制和校准控制分别与直流失调电路一一对应控制,效率更高且控制时更为精准,不易出错。应该理解的是,增益控制线、校准控制线也可以分别为一条总线,实现对n级直流失调电路的增益控制和校准控制,但此方法要求直流失调校准系统的数字控制器对增益控制线、校准控制线的控制更高、更准确。
在本实施方式中,各模块的主要功能如下所示。
所述接收机模块通过第i级直流失调电路的正输出端i和负输出端i分别输出直流共模电压Vopi和Voni;其中,i为正整数,1<=i<=n。在本实施方式中,第i级直流失调电路输出的直流共模电压均通过最后一级直流失调电路的输出端输出。
所述采样比较模块,用于根据接收机模块输出的直流共模电压Vopi和Voni得到直流共模电压差△Vopi和△Voni,并基于所述△Vopi和△Voni进行比较判决,得到判决结果,将此判决结果发送至数字控制器。
所述数字控制器,用于根据所述判决结果向所述DAC发送相应的输入控制字,并向所述接收机模块发送相应的增益控制指令。
所述数模转换器,用于接收所述数字控制器传送的输入控制字,并根据接收的输入控制字输出相应模拟电压信号,并将所述相应模拟电压信号输入到所述接收机模块,使所述接收机模块输出的直流共模电压Vopi和Voni逐步接近基准共模电压0.5VDDi,其中,VDDi为第i级直流失调电路的内部工作电压。
在本实施方式中,结合图1-3,不难看出,增益可编程放大器PGA或低通滤波器LPF均被等效成图1及图2所示的电路模型。综合前文所述我们可以看出,基于发明人提出的电路模型,本发明上述实施方式把接收机模块的所有直流失调都等效成为直流失调独立于中频增益的直流失调电路,那么失调校准时不需要建立失调与放大器增益的查找表,节省了芯片面积,降低了成本。
具体的,以对第一级中频电路失调的检测和校准为例,说明校准电路的工作原理。请参阅图4,本实施方式提供一种直流失调校准方法,包括:
S401、数字控制器向接收机模块发送第一增益控制指令,控制接收机模块固定第2~n级直流失调电路的增益,并将第1级直流失调电路的增益设置为最小,开关S1和S2闭合。接收机模块的第一级直流失调电路输出的直流共模电压Vop1和Von1分别被采集到第一电容C1和第二电容C2上。
S402、数字控制器向接收机模块发送第二增益控制指令,控制接收机模块将第1级直流失调电路的增益设置为最大。接收机模块的第一级直流失调电路输出的直流共模电压Vop1’和Von1’分别被采集到第一电容C1和第二电容C2上。
S403、此时,S401和S402输出的失调电压在第一电容C1和第二电容C2上实现了相减的运算,两个时刻的失调相减可以消除第2~n级直流失调电路的失调成分,因此第2~n级直流失调电路的失调成分并不会影响第一级直流失调电路的校准。也就是说,采样比较模块对Vop1、Vop1’进行相减运算,对Von1、Von1’同样进行相减运算,得到直流共模电压差△Vop1和△Von1。
然后再基于所述△Vop1和△Von1进行比较判决并将得到的判决结果发送至所述数字控制器。具体的,此判决结果的得到过程为:
若△Vop1大于△Von1,则采样比较模块输出判决结果为1;
若△Vop1小于△Von1,则采样比较模块输出判决结果为0。
S404、数字控制器根据所述判决结果向数模转换器1发送相应的输入控制字,改变DAC1的输出电压,进而改变第1级直流失调电路的直流输出失调。
S405、重复上述S403和S404,每次都采用逐次逼近(SuccessiveApproximation,简称SAR)的逻辑改变DAC1的控制字,直至所述△Vop1和△Von1之差处于预置的电压范围内。
上述过程只是对第一级直流失调电路的输出失调进行校准。下面以n=3时,整个直流失调校准系统的直流失调校准方法。请参阅图5,该方法包括粗调过程S51和精调过程S52,其中,粗调过程S51为S501~S505,精调过程S52为S506~S510。其中,j=1,n=3。
S501、数字控制器向接收机模块发送第一增益控制指令,控制接收机模块固定第2、3直流失调电路的增益,并将第1级直流失调电路的增益设置为最小。
采样比较模块采集接收机模块输出的直流共模电压Vop1和Von1。
S502、数字控制器向接收机模块发送第二增益控制指令,控制接收机模块将第1级直流失调电路的增益设置为最大。
采样比较模块采集接收机模块输出的直流共模电压Vop1’和Von1’。
S503、采样比较模块基于直流共模电压Vop1和Von1、Vop1’和Von1’,得到直流共模电压差△Vop1和△Von1,基于所述△Vop1和△Von1进行比较判决并将得到的判决结果发送至所述数字控制器。
S504、由于对DAC1输送高输入控制字对直流失调电路输出的电压影响较大,因此在粗调过程中,数字控制器根据所述判决结果向数模转换器1发送高输入控制字,大幅度地改变DAC1的输出电压,进而较为粗略地改变第1级直流失调电路的直流输出失调。
S505、重复上述S503和S504,直至所述△Vop1和△Von1之差处于预置的第一电压范围内;此第一电压范围可根据实际需要具体设计,在本实施方式中,第一电压范围为正负0.5%VDD1。
然后,固定第1、3级直流失调电路的增益,重复上述S501-505的过程,很第2级的△Vop2和△Von2之差处于预置的第一电压范围内。
S506、数字控制器向接收机模块发送第一增益控制指令,控制接收机模块固定第2、3直流失调电路的增益,并将第1级直流失调电路的增益设置为最小。
采样比较模块采集接收机模块输出的直流共模电压Vop1和Von1。
S507、数字控制器向接收机模块发送第二增益控制指令,控制接收机模块将第1级直流失调电路的增益设置为最大。
采样比较模块采集接收机模块输出的直流共模电压Vop1’和Von1’。
S508、采样比较模块基于直流共模电压Vop1和Von1、Vop1’和Von1’,得到直流共模电压差△Vop1和△Von1,基于所述△Vop1和△Von1进行比较判决并将得到的判决结果发送至所述数字控制器。
S509、由于对DAC1输送低输入控制字对直流失调电路输出的电压影响较小,因此在精调过程中,数字控制器根据所述判决结果向数模转换器1发送低输入控制字,小幅度地改变DAC1的输出电压,进而精细地改变第1级直流失调电路的直流输出失调。
S510、重复上述S508和S509,直至所述△Vop1和△Von1之差处于预置的第二电压范围内。此第二电压范围可根据实际需要具体设计,在本实施方式中,第二电压范围为正负0.05%VDD1。在具体的实施例中,第二电压范围为接近于零。
在上述校准流程中,S501~S505的粗略调节可以先将前两级的失调电压降至比较小,可以保证残余的失调电压被放大后也不会使后级电路饱和,保证精确调节环节可以正常进行。接下来S506~S510的精细调节从前级到后级依次进行,可以保证最敏感的前级失调能够被准确地检测和校准。利用该优化的校准流程,能够提高校准电路可校准的失调范围,同时还能获得较好的校准精度。
请参阅图6,图6给出了经S501-S510所述方法校准后,直流失调校准系统最后一级PGA输出的总残余失调的典型瞬态波形图。Vop和Von分别代表最后一级PGA输出的正端和负端电压。各级失调被逐次校准后,Vop和Von十分接近基准共模电压0.5VDD,也就意味着总输出直流失调电压被降低至非常小,接近于零。
综上所述,本发明直流失调校准系统及直流失调校准方法基于创新的直流失调模型(图1、2所示),把接收机的所有直流失调都等效成为独立于中频增益的直流失调电路,失调校准时不需要建立失调与放大器增益的查找表,节省了芯片面积,降低了成本。总体的,所述直流失调校准方法包括以下基本步骤:
(1)对接收机各级电路的直流失调分别进行检测和粗略的校准,保证校准后的残余失调不会导致后级电路饱和。
(2)对接收机各级电路的直流失调分别进行检测和精确的校准,越是前级电路,校准的精度越高。校准的精度使得前级接收机电路的残余失调电压尽可能接近零,可以避免前级电路残余失调影响后级电路校准的精度。
该直流失调校准方法得到的校准结果可以保证接收机的残余直流失调电压在不同的中频增益下都很小,不需要连续工作,大大降低了功耗。为了实现上述的校准方法,本发明还提出了一种基于采样保持原理的运算电路,即上述的采样比较模块,能够巧妙区分不同级电路的失调电压,有效提高校准精度。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。