CN103905041A - 一种用于流水线模数转换器的直流失调校准方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于流水线模数转换器的直流失调校准方法及其实现电路，其校准核心步骤包括：步骤1，将流水线模数转换器的模拟输入VIP、VIN与输入共模电压VCM相连；步骤2，对模数转换器核心电路的数字输出每隔X时钟周期进行采样，重复Y次，取平均值(X、Y为整数，其值可根据校准时间和校准精度的要求进行选取)并写入存储模块；步骤3，模数转换器的模拟输入VIP、VIN与输入信号相连，进入正常工作状态；步骤4，将写入存储模块的直流失调平均值与核心电路正常工作时的数字输出做减法运算，最终得到含直流失调校准的数字输出。本发明可减小流水线模数转换器的直流失调，增加了模数转换器的动态范围。

Description

一种用于流水线模数转换器的直流失调校准方法及电路

技术领域

本发明提出了一种用于流水线结构模数转换器的直流失调校准方法及其实现电路。

背景技术

请参见图1和图2所示，为现有常见的流水线模数转换器级电路，每级1.5位，受两相不交叠时钟控制，交替工作在采样相和保持相。其中，C1和C2为电容值相等的采样电容，110为运算放大器，VIN为级电路输入电压，VOUT为级电路输出电压，b＝-1或0或+1，VREF为级电路进行减法运算的参考电压。理想情况下，在采样相结束时，电容C1、C2存储的总电荷为Q1＝VIN*C1+VIN*C2＝2*VIN*C1；在保持相结束时，电容C1、C2上存储的总电荷为Q2＝b*VREF*C2+VOUT*C1＝(VOUT+b*VREF)*C1。根据电荷守恒原理，令Q1＝Q2，得到理想情况下，级电路送往下一级电路的输出电压为VOUT＝2*VIN-b*VREF。

[0003]请参见图3所示，为上述级电路的理想电压传输曲线。其中，级电路的输入、输出电压范围均为±VREF，比较器的判决电压为±0.25*VREF。

[0004]请参见图4和图5所示，在实际生产过程中存在工艺随机失配等非理想因素，使得级电路中的运算放大器110存在直流失调VOS，并最终影响级电路的输入输出传输曲线。在采样相结束时，电容C1、C2存储的总电荷为Q3＝VIN*C1+VIN*C2＝2*VIN*C1；在保持相结束时，电容C1、C2上存储的总电荷为Q4＝(b*VREF+VOS)*C2+(VOUT+VOS)*C1＝(VOUT+b*VREF+2*VOS)*C1。根据电荷守恒原理，令Q3＝Q4，得到非理想情况下，级电路送往下一级电路的输出电压为VOUT＝2*VIN-b*VREF-2*VOS。

请参见图6所示，考虑运算放大器的直流失调后，级电路的实际传输曲线比理想情况整体向下平移了2*VOS。

请参见图7所示，上述级电路运算放大器的直流失调逐级累加，最终得到直流失调为Offset的模数转换器数字输出DOUT。当模拟输入VIN满量程±FS时，DOUT由于直流失调的影响出现失真，不能实现满量程输出，模数转换器的动态范围变小，有效位数也随之降低。这一结论同样适用于每级多位的流水线级电路。

现有的消除流水线级电路中运算放大器直流失调的方法，往往是对级电路中的模拟电路进行时序或电路结构方面的改进，虽然能够减小直流失调，但会增加电路的复杂度，并引入新的寄生，从而在一定程度上影响模数转换器的精度和速度。

发明内容

本发明提出了一种用于流水线模数转换器的直流失调校准方法及其实现电路。这种校准方法及其实现电路，不需要对流水线模数转换器原有的核心电路进行修改，即：与原有的核心电路相互独立，而且校准算法的实现电路均为逻辑、运算、存储等数字电路，设计简单，易于实现。

直流失调校准算法的实现电路包括逻辑控制模块、计算及存储模块和异步减法器模块，其特征在于：

上述逻辑控制模块采用与流水线模数转换器核心电路同步的工作时钟，时钟频率可与核心电路相同，亦可不同；输入信号包括，校准开始使能信号、校准复位使能信号；输出信号包括，计算及存储使能信号、模数转换器采样开关控制信号。

上述计算及存储模块的输入信号包括，计算及存储使能信号、流水线模数转换器核心电路的N位数字输出；输出信号包括，通过计算得到的N位直流失调平均值。

上述异步减法器模块的输入信号包括，流水线模数转换器核心电路的N位数字输出，通过计算得到的N位直流失调平均值；输出信号包括，含直流失调校准的流水线模数转换器N位数字输出。

直流失调校准方法步骤如下：

步骤1：校准复位使能信号有效，逻辑控制模块、计算及存储模块电路状态复位，电路中的数据清零。

步骤2：校准开始使能信号有效，模数转换器的模拟输入端与输入共模电压端相连，使模数转换器的差分输入为相同的直流共模电压。校准开始。

步骤3：每隔X时钟周期，计算及存储模块对模数转换器核心电路的N位数字输出采样一次，共重复Y次，计算Y次采样的直流失调平均值并存入存储模块。其中，X、Y＝1，2，3，……等整数，其值可根据校准时间、校准精度的要求进行选取。

步骤4：将模数转换器的输入端与正常的模拟输入信号相连，模数转换器核心电路开始正常工作。

步骤5：校准开始使能信号无效，校准结束，进入正常工作模式。写入计算及存储模块中的直流失调平均值与模数转换器核心电路未经校准的数字输出通过异步减法器模块进行减法运算，最终得到含直流失调校准的数字输出。

本发明提出的这种用于流水线模数转换器的直流失调校准方法及其实现电路，可有效减小级电路运算放大器直流失调的影响，提高了模数转换器的动态范围和有效位数。

此外，本发明提出的校准算法，其校准时间可调(调整上述X、Y值)，增加了校准的灵活性。

附图说明

图1是现有流水线模数转换器级电路(每级1.5位)理想情况下工作在采样相时的电路结构示意图；

图2是现有流水线模数转换器级电路(每级1.5位)理想情况下工作在保持相时的电路结构示意图；

图3是现有流水线模数转换器级电路(每级1.5位)理想输入输出传输曲线；

图4是现有流水线模数转换器级电路(每级1.5位)考虑运算放大器直流失调的实际情况下，工作在采样相时的电路结构示意图；

图5是现有流水线模数转换器级电路(每级1.5位)考虑运算放大器直流失调的实际情况下，工作在保持相时的电路结构示意图；

图6是现有流水线模数转换器级电路(每级1.5位)考虑运算放大器直流失调的实际情况下的输入输出传输曲线；

图7是现有的流水线模数转换器存在直流失调时数字输出存在失真的示意图；

图8是本发明的流水线模数转换器直流失调校准电路的整体结构示意图；

图9是本发明的流水线模数转换器直流失调校准方法的流程图；

图10是本发明的流水线模数转换器直流失调校准电路的时序图。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。

请参见图8所示，流水线模数转换器核心电路100为现有的含运算放大器直流失调的模数转换器核心电路，直流失调校准电路200为本发明提出的一种用于流水线模数转换器直流失调校准算法的实现电路，包括逻辑控制模块210、计算及存储模块220和异步减法器模块230。

上述逻辑控制模块210，采用与流水线模数转换器核心电路相同的工作时钟CLOCK；与之相连的输入信号包括，校准开始使能信号START，校准复位使能信号RESET；与之相连的输出信号包括，计算及存储使能信号ENABLE，模数转换器采样开关控制信号Input Short。

上述计算及存储模块220，输入信号包括：计算及存储使能信号ENABLE，流水线模数转换器核心电路的N位数字输出D[N:0]；输出信号包括，通过计算得到的N位直流失调平均值DOS[N:0]。

上述异步减法器模块230，输入信号包括，流水线模数转换器核心电路的N位数字输出D[N:0]，通过计算得到的N位直流失调平均值DOS[N:0]；输出信号包括，含直流失调校准的流水线模数转换器N位数字输出DOUT[N:0]。

请参见图9所示，本发明提出的一种用于流水线模数转换器的直流失调校准方法步骤如下：

步骤1：上电后，校准复位使能信号RESET＝‘0’有效，逻辑控制模块210复位，计算及存储模块220电路状态复位且电路中的数据清零；

步骤2：若校准开始使能信号START上升沿来临，模数转换器采样开关控制信号InputShort在一个时钟周期后有效，开关1、2断开，开关3、4闭合，将模数转换器的输入端VIP、VIN与输入共模电压VCM相连，使差分模拟输入为相同的直流共模电压VCM，直流失调校准开始；若校准开始使能信号START没有上升沿出现，则直接将计算及存储模块220中存储的直流失调平均值DOS[N:0](若为上电后的第一次校准，DOS[N:0]为全零；若非上电后第一次校准，DOS[N:0]为上次校准所得的直流失调平均值)送至异步减法器230，与核心电路100未经校准的数字输出D[N:0]进行减法运算，得到含直流失调校准的数字输出DOUT[N:0]；

步骤3：每隔X时钟周期，计算及存储模块220对模数转换器核心电路100的数字输出D[N:0]采样一次，共重复Y次，计算Y次采样的直流失调平均值DOS[N:0]并存入计算及存储模块220。其中，X、Y＝1，2，3，……等整数，其值可根据校准时间、校准精度的要求进行选取。

步骤4：模数转换器采样开关控制信号Input Short＝‘0’无效，将模数转换器的输入端VIP、VIN与正常的模拟输入信号相连，核心电路100开始正常工作。

步骤5：模数转换器采样开关控制信号Input Short无效后的一个时钟周期，校准开始使能信号START＝‘0’无效，直流失调校准结束。计算及存储模块220中的直流失调平均值DOS[N:0]送至减法器230，与模数转换器核心电路的数字输出D[N:0]进行异步减法运算后，得到含直流失调校准的数字输出DOUT[N:0]。此后，校准电路在步骤2至5间循环往复。

[0042]请参见图10所示，为上述校准方法的电路时序图。其中，CLOCK为模数转换器核心电路100和直流失调校准电路200的工作时钟，模数转换器上电后，RESET信号出现低电平，使能有效，逻辑控制模块210、计算及存储模块220复位，DOS[N:0]清零。当START上升沿来临后，Input Short变为高电平，模数转换器核心电路的差分模拟输入均为共模电压VCM，开始进行校准。校准期间，核心电路数字输出D[N:0]为直流失调值DC，随CLOCK时钟周期更新，计算及存储模块220每隔X时钟周期对D[N:0]采样一次，重复Y次，采到的直流失调值经计算得到均值CAL，并存入存储模块。经过X*Y个时钟周期后，Input Short变为低电平，模数转换器核心电路的模拟输入端与正常的模拟输入信号相连，模数转换器进入正常工作模式，D[N:0]为未经校准的数字输出，其值为RAW。随后START变为低电平，校准结束。此时存储模块中的校准值即为直流失调平均值OS。将RAW和OS送入异步减法器，最终得到含直流失调校准的数字输出DOUT[N:0]，其值为data＝RAW-OS。

本发明提出的这种用于流水线结构模数转换器的直流失调校准方法及其实现电路，有效减小了级电路运算放大器直流失调的影响，提高了模数转换器的动态范围和有效位数。且不需要对核心电路进行修改，与流水线模数转换器核心电路相互独立，实现电路均为逻辑、运算、存储等数字电路，简单易行。此外，校准时间可调(调整上述X、Y值)，增加了校准的灵活性。

尽管本发明的内容已经通过上述具体实施方式进行了详细的介绍，但应当认识到上述描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域的技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的各种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (2)

1.一种用于流水线模数转换器的直流失调校准电路，与模数转换器电路共同进行直流失调校准，其特征在于直流失调校准电路包括逻辑控制模块、计算及存储模块和异步减法器模块。其中：

逻辑控制模块采用与模数转换器电路同步的工作时钟，处于校准模式时，控制计算及存储模块进行采样、计算和存储操作，处于正常工作模式时，控制计算及存储模块停止采样和计算；逻辑控制模块输入信号包括校准开始使能信号、校准复位使能信号，输出信号包括计算及存储使能信号、模数转换器电路采样开关控制信号；

计算及存储模块处于校准模式时，对模数转换器电路输出的数字输出进行多次采样、取平均值计算和存储直流失调平均值，处于正常工作模式时，停止采样、计算，进行存储并输出直流失调平均值；计算及存储模块的输入信号包括计算及存储使能信号、模数转换器电路的N位数字输出，输出信号包括通过计算得到的N位直流失调平均值，N≥1；

异步减法器模块对模数转换器电路的数字输出、计算及存储模块所存储的直流失调平均值做异步减法运算，得到含直流失调校准的数字输出；异步减法器模块的输入信号包括模数转换器电路未经直流失调校准的N位数字输出、通过计算得到的N位直流失调平均值，输出信号包括含直流失调校准的模数转换器电路N位数字输出。

2.一种用于流水线模数转换器的直流失调校准方法，应用于权利要求1所述的电路中，其特征在于工作步骤如下：

步骤1：校准复位使能信号有效，逻辑控制模块、计算及存储模块状态复位，电路中的数据清零；

步骤2：校准开始使能信号有效，进入校准模式，模数转换器电路的输入端与输入共模电压端相连，使模数转换器电路的输入为固定的直流共模电压；

步骤3：计算及存储模块，每隔X时钟周期，对模数转换器电路的数字输出采样一次，共重复Y次，计算Y次采样的平均值并存入计算及存储模块；其中，X≥1，Y≥1，X、Y的值可根据校准时间和校准精度的要求进行选取；

步骤4：将模数转换器电路的输入端与正常的模拟输入信号相连，模数转换器电路开始正常工作；

步骤5：校准开始使能信号无效，校准结束，进入正常工作模式；在步骤3时写入计算及存储模块中的直流失调平均值送至异步减法器模块，与模数转换器电路的数字输出进行减法运算，最终得到含直流失调校准的数字输出。

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