CN103973306A

CN103973306A - 一种流水线adc的后台数字校准装置及方法

Info

Publication number: CN103973306A
Application number: CN201410137126.3A
Authority: CN
Inventors: 李斌; 燕振华; 吴朝晖
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2014-04-04
Filing date: 2014-04-04
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2034-04-04
Also published as: CN103973306B

Abstract

本发明公开了一种流水线ADC的后台数字校准装置及方法，包括自适应滤波器、高精度ADC冗余子级、数据选择模块、数据分配模块、多路开关模块和控制信号产生模块；本发明首先通过控制信号产生模块控制数据选择模块、数据分配模块及多路开关模块，利用高精度ADC冗余子级及自适应滤波器对流水线ADC第一至第j级依次进行初始化校准，使流水线ADC能工作于较高精度输出状态；其后，在流水线ADC正常工作期间，控制信号产生模块控制各个模块对流水线ADC的第一级至第j级进行随机校准，以防止因芯片外部环境和内部环境引起的ADC性能下降。本校准具有校准误差小和校准精度高的优点。

Description

一种流水线ADC的后台数字校准装置及方法

技术领域

本发明涉及一种微电子技术领域的校准装置，特别涉及一种流水线ADC的后台数字校准装置及方法。

背景技术

流水线ADC（Analog-to-Digital Converter）作为外部模拟世界与电子系统的接口，是当前高速、高位ADC的主流结构，具有高速、高精度的特点，在高分辨率图像处理、视频处理以及无线通信等领域得到了广泛的应用，成为目前ADC研究热点之一。但是当流水线ADC的精度达到12位以上时，由于电容的不匹配、运算放大器的输入端寄生电容、电荷注入、比较器失调以及工艺偏差等各种因素引起的误差严重地限制了ADC的性能，传统的模拟电路设计已经很难突破这个精度的瓶颈，所以在高速、高精度ADC的设计中都会采用校准技术。一般校准技术分为：数字校准和模拟校准。模拟校准技术是在模拟领域把相关的量调整到期望值，或者利用激光对芯片原件进行修改，其成本高且容易受到封装时机械应力的影响。数字校准技术把电路中的非理性因素，在数字领域通过一定的校准调整，将其调整到期望值。该技术实现成本低且不容易受外界干扰，成为了现行校准技术的主流。

数字校准技术可以分为两大类：前台数字校准技术和后台数字校准技术。前台数字校准技术由两部分组成：估计参数和校准误差。但是在前台校准的过程中估计参数和校正误差是两个相对独立的过程，ADC无法同时进行误差参数的提取和正常数据的转换，需要打断ADC的正常工作是前台数字校准技术的缺点之一，这一缺点限制了其使用范围。而后台数字校准技术中估计参数和校正误差是同时进行，因此在不需要打断ADC正常工作的情况下也能够实时地校准ADC电路中的非理想因素。

在数字后台校准领域中，一种广泛采用的校准方法是采用低速高精度的参考ADC作为待校准ADC的参考输出，其中该方法需要将待校准ADC通道的输入输出信号进行降频至与参考ADC通道的输入输出信号同频率，才能送进LMS（Least Mean Square，最小均方）或RLS（Recursive Least Square，递归最小二乘法）等自适应滤波器中进行校准。但是两个不同频率输出信号很难实现完全同步，在校准过程中，将为该参考ADC校准方法带来较大误差，从而限制了该方法的应用范围。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种流水线ADC的后台数字校准装置。该校准装置在不影响ADC正常工作的情况下能够实时地校准流水线ADC各个子级误差，具有校准误差小和校准精度高的优点。

本发明的另一个目的在于提供一种上述流水线ADC的后台数字校准装置的校准方法。

本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种流水线ADC的后台数字校准装置，包括自适应滤波器、高精度ADC冗余子级、数据选择模块、数据分配模块、多路开关模块和控制信号产生模块；

流水线ADC中第一级至第j级的ADC子级输入端分别通过数据选择器与高精度ADC冗余子级输入端连接，相应这些ADC子级的输出端分别通过自适应滤波器与下一级ADC子级输入端连接；

所述高精度ADC冗余子级的输出端通过数据分配模块分别与连接在ADC子级之间的各自适应滤波器的参考端连接；

所述各自适应滤波器的输出端通过多路开关模块的各路开关与其参考端连接；

所述控制信号产生模块分别与数据选择模块、数据分配模块和多路开关模块连接，控制各ADC子级输入端连接的数据选择模块通道及其输出端的自适应滤波器连接的数据分配模块通道同时选通；同时根据第一级至第j级ADC子级的校准状态控制多路开关相应通道的选通与关断。

优选的，所述j为n-1，n为流水线ADC的总级数，即所述流水线ADC中除第n级外，其它各级ADC子级的输入端分别通过数据选择模块与高精度ADC冗余子级输入端连接，相应的这些ADC子级的输出端分别通过自适应滤波器与下一级ADC子级输入端连接。

优选的，所述自适应滤波器为LMS自适应滤波器或RLS自适应滤波器。

本发明的第二目的通过下述技术方案实现：一种流水线ADC的后台数字校准装置实现的校准方法，包括以下步骤：

（1）模拟信号经过采样保持放大器采样后作为流水线ADC第一级ADC子级和数字选择模块的输入；

（2）流水线ADC校准的初始化：通过控制信号产生模块控制流水线ADC从第一级至第j级依次逐级进行以下校准步骤：

（2-1）控制与当前所要校准的ADC子级输入端连接的数据选择模块通道以及与该ADC子级输出端的自适应滤波器连接的数据分配模块通道同时选通，同时控制连接在该ADC子级输出端的自适应滤波器输出端和参考端之间的一路开关断开，其他自适应滤波器的输出端和参考端之间的各路开关闭合；

（2-2）当前所要校准的ADC子级输入端的信号同时通过数据选择模块当前选通的通道输入到高精度ADC冗余子级，高精度ADC冗余子级模块将输入信号转换成数字信号，作为自适应滤波器校准用的参考信号；

（2-3）高精度ADC冗余子级输出的参考信号通过数据分配模块当前选通的通道输入到与当前所要校准的ADC子级连接的LMS自适应滤波器的参考端，自适应滤波器根据当前所要校准的ADC子级的输出信号和高精度ADC冗余子级输出的参考信号计算得到误差信号，并根据误差信号迭代更新抽头权系数，当更新抽头权系数后得到的误差信号小于一设定值X时，当前所要校准的ADC子级校准结束；

（2-4）当前所要校准的ADC子级校准结束时，自适应滤波器输出校准后的信号给下一级ADC子级；返回步骤（2-1），针对下一级ADC子级进行校准，同时控制连接在该ADC子级输出端的自适应滤波器的输出端和参考端之间的一路开关闭合。

优选的，流水线ADC初始化校准后还包括随机校准步骤，所述随机校准步骤为：通过控制信号产生模块控制流水线ADC第一级至第j级中随机一级ADC子级输入端连接的数据选择模块通道以及与该ADC子级输出端的自适应滤波器连接的数据分配模块通道同时选通；同时控制连接在该ADC子级输出端的自适应滤波器输出端和参考端之间的一路开关断开，其他自适应滤波器的输出端和参考端之间的各路开关闭合；然后通过上述步骤（2-2）至（2-4）对该ADC子级进行校准。

优选的，所述步骤（2）中自适应滤波器为LMS自适应滤波器，所述各ADC子级输出信号经过LMS自适应滤波器后m时刻的输出信号y(m)为：

y (m) = Σ_{k = 0}^{L - 1} w_{k} (m) x (m - k);

x(m)为LMS自适应滤波器输入端的输入信号，x(m-k)为LMS自适应滤波器第k阶的输入信号吗，L为LMS自适应滤波器的总阶数，w_k(m)为LMS自适应滤波器第k阶的迭代系数权重；

w(m)=[w₀(m)w₁(m)，...，w_L-1(m)]；

根据y(m)和d(m)得到误差信号e(m)为：

e(m)=d(m)-y(m)；

本实施例中根据误差e(m)通过以下方式对LMS自适应滤波器抽头权系数进行迭代更新：

w(m+1)=w(m)+μe(m)X(m)；

其中μ为迭代步长，X(m)为

X(m)=[x(m)x(m-1)...x(m-k)...x(m-L+1)]。

优选的，所述步骤（2-3）中，所述X值根据ADC信噪比要求进行选择，所述X值为小于或等于0.5个ADC的最低有效位。

更进一步的，所述步骤（2-3）中，当ADC信噪比要求在60dB～90dB时，X值为10^-5。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

（1）本发明首先采用高精度ADC冗余子级和自适应滤波器依次对第一级至第j级的流水线ADC子级进行逐级校准，最终完成对整个流水线ADC的校准。在本发明中通过高精度ADC冗余子级提取各ADC子级的输入信号，其中高精度ADC冗余子级能够输出近为理想的信号，自适应滤波器接收高精度ADC冗余子级的输出作为理想参考输入信号，同时接收ADC子级输出作为待校准输入信号，通过自适应滤波器中相应的算法对流水线子级进行校准，使其输出逼近高精度ADC冗余子级的输出，形成期望输出信号，具有校准误差小，精度高的优点，并且能够在不影响ADC正常工作的同时实时地校准流水线ADC各个子级的误差，克服了现有技术中待校准ADC和参考ADC两个信号通道不同步所引起的精度下降和误差大等缺陷。

（2）本发明校准装置中自适应滤波器只有在其输入端所连接的ADC子级处于校准状态时才工作在自适应滤波状态，当其输入端所连接的ADC子级不处于校准状态时，其输出端和参考端通过多路开关模块短路，因此误差信号始终为零，滤波器不会进行抽头权系数的迭代更新，仅工作在FIR滤波器状态。

（3）本发明在针对第一级至第j级的流水线ADC子级进行逐级初始化校准后，可以通过控制信号产生模块对流水线ADC进行随机实时校准，从而防止因为芯片外部环境（外部温度，电源电压跳变等）和内部环境（芯片各个模块之间的电磁串扰）引起的ADC性能下降。

附图说明

图1是本发明流水线ADC的后台数字校准装置组成框图。

图2是本发明流水线ADC的后台数字校准方法各级校准控制示意图。

图3是本发明流水线ADC的后台数字校准方法第一级校准控制示意图。

图4是采用本发明方法针对第一子级完成校准后的状态示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本实施例公开了一种流水线ADC的后台数字校准装置，包括自适应滤波器、高精度ADC冗余子级、数据选择模块、数据分配模块、多路开关模块和控制信号产生模块；其中本实施例中所采用的高精度ADC冗余子级的精度比流水线中的各ADC子级的精度要高。本实施例校准装置的各组成部分均通过CMOS工艺实现。本实施例所采用的自适应滤波器为LMS自适应滤波器，当然也可以采用RLS等其它自适应滤波器。其中流水线ADC中包含有n级ADC子级，分别为第一级至第n级；模拟信号通过采样保持放大器SHA后输入到第一级ADC子级中。本实施例中数据选择模块的通道分别标志为i0至in-2，数据分配模块的通道分别标志为r1至rn-1，多路开关模块的各路开关分别标志位s1至sn-1，其中s1至sn-1的输入通道分别标志为p1至pn-1，输出通道分别标志位为q1至qn-1。

在本实施例中，流水线ADC各子级的第一级至第n-1级的输入端与数据选择模块的i0至in-2通道一一对应连接，数据选择模块的输出端与高精度ADC冗余子级输入端连接，流水线ADC各子级通过数据选择模块选择将其中一级ADC子级的输入信号同时输出到高精度ADC冗余子级中；

流水线ADC各子级的第一级至第n-1级的输出端分别通过自适应滤波器与下一级ADC子级的输入端连接，高精度ADC冗余子级的输出端与数据分配模块的数据输入端连接，数据分配模块的r1至rn-1通道与连接在第一级至第n-1级ADC子级输出端的自适应滤波器参考端一一对应连接，高精度ADC冗余子级通过数据分配模块的r1至rn-1通道选择将输出的信号传送到其中一个自适应滤波器的参考端。

流水线ADC各子级的第一级至第n-1级输出端连接的各自适应滤波器的输出端与多路开关模块的输入通道p1至pn-1一一对应连接，各自适应滤波器的参考端与多路开关模块的输出通道q1至qn-1一一对应连接。即各自适应滤波器的输出端和参考端通过多路开关模块中的开关s1至sn-1连接。多路开关模块的开关路数为n-1，数据选择模块和数据分配模块的通道数量均为n-1。

控制信号产生模块分别与数据选择模块、数据分配模块和多路开关模块连接，用于控制数据选择模块和数据分配模块中的通道选通，在本实施例中该控制信号产生模块控制与ADC子级输入端连接的数据选择模块通道以及与该ADC子级输出端的自适应滤波器连接的数据分配模块通道分别选通，以通过高精度ADC冗余子级以及自适应滤波器实现对各ADC子级进行校准。例如当要针对第一级ADC子级进行校准的时候，控制信号产生模块控制数据选择模块中与第一级ADC子级输入端连接的通道i0选通，并且控制数据分配模块中与第一级ADC子级输出端的自适应滤波器参考端连接的通道r1选通。同时控制信号产生模块根据第一级至第n-1级ADC子级的校准状态控制多路开关相应通道的选通与关断，当ADC子级处于校准状态时，控制与该ADC子级输出端连接的自适应滤波器输出端与参考端之间这路开关进行断开，其他各路开关进行闭合。使得处于校准状态的ADC子级输出端所连接的自适应滤波器工作在自适应滤波状态，其他各自适应滤波器的参考端的信号来自输出端，误差信号始终为零，滤波器不会进行抽头权系数的迭代更新，因此工作在FIR滤波器状态。

在本实施例中第n级ADC子级作为最后的用于残差量化的闪存型ADC，无需校准，因此第n级ADC子级的输入端无需连接高精度ADC冗余子级，输出端无需连接自适应滤波器进行校准。

本实施例中还公开了一种流水线ADC的后台数字校准方法，包括以下步骤：

（1）模拟信号经过采样保持放大器采样后作为流水线ADC的第一级ADC子级的输入；

（2）流水线ADC初始化校准：通过控制信号产生模块控制流水线ADC从第一级至第n-1级依次逐级进行以下校准步骤：

（2-1）控制与当前所要校准的ADC子级输入端连接的数据选择模块通道以及与该ADC子级输出端的自适应滤波器连接的数据分配模块通道同时选通，构成如图2所示的ADC子级校准控制示意图；同时控制连接在该ADC子级输出端的自适应滤波器输出端和参考端之间的一路开关断开，其他自适应滤波器的输出端和参考端之间的各路开关闭合；

（2-2）当前所要校准的ADC子级输入端的信号同时通过数据选择模块当前选通的通道输入到高精度ADC冗余子级；高精度ADC冗余子级模块将输入信号转换成近似理想的数字信号，作为自适应滤波器校准用的参考信号d(m)；

（2-3）高精度ADC冗余子级输出的参考信号d(m)通过数据分配模块当前选通的通道输入到与当前所要校准的ADC子级连接的LMS自适应滤波器的参考端，LMS自适应滤波器根据当前所要校准的ADC子级输出端的输出信号和高精度ADC冗余子级输出的参考信号d(m)计算误差信号e(m)；然后根据误差信号e(m)迭代更新抽头权系数，LMS滤波器的抽头权系数经过更新迭代，使得LMS自适应滤波器输出信号达到近似最优值，当自适应滤波器输出的信号逼近高精度ADC冗余子级输出信号时，当前所要校准的ADC子级校准结束；自适应滤波器输出校准后的信号给下一个ADC子级，然后进入步骤（2-4）；在本实施例中误差信号e(m)的值小于一设定值X值时，判断自适应滤波器输出的信号逼近高精度ADC冗余子级输出信号。其中本实施例中X值设定为0.5个ADC的最低有效位；当本实施例的ADC信噪比要求在60dB～90dB时，X值设定为10^-5。

其中本步骤中ADC子级输出信号经过LMS自适应滤波器后的实时输出信号y(m)为：

y (m) = Σ_{k = 0}^{L - 1} w_{k} (m) x (m - k);

x(m)为LMS自适应滤波器输入端的输入信号，x(m-k)为LMS自适应滤波器第k阶的输入信号，L为LMS自适应滤波器的总阶数，w_k(m)为LMS自适应滤波器第k阶的迭代系数权重；

w(m)=[w₀(m)w₁(m)，...，w_L-1(m)]；

根据y(m)和d(m)得到误差信号e(m)为：

e(m)=d(m)-y(m)；

w(m+1)=w(m)+μe(m)X(m)；

其中

X(m)=[x(m)x(m-1)...x(m-k)...x(m-L+1)]；

（2-4）当前所要校准的ADC子级校准结束时，自适应滤波器输出校准后的信号给下一级ADC子级；返回步骤（2-1），控制信号产生模块控制下一个ADC子级进行校准。同时控制连接在该ADC子级输出端的自适应滤波器的输出端和参考端之间的一路开关闭合。

（3）当完成上述流水线ADC初始化校准后，通过控制信号产生模块控制流水线ADC进行随机校准，具体为：通过控制信号产生模块控制流水线ADC中随机一个ADC子级的输入端和输出端分别连接的数据选择模块通道和数据分配模块通道同时选通；同时控制连接在该ADC子级输出端的自适应滤波器输出端和参考端之间的一路开关断开，其他自适应滤波器的输出端和参考端之间的各路开关闭合；然后通过上述步骤（2-2）至（2-4）对当前所要校准ADC子级进行校准。

本实施例通过步骤（3）对流水线ADC进行随机实时校准，可以防止因为芯片外部环境（外部温度，电源电压跳变等）和内部环境（芯片各个模块之间的电磁串扰）引起的ADC性能下降。

在本实施例中，当ADC子级输入端连接的数据选择模块通道以及输出端自适应滤波器连接的数据分配模块通道均选通时，与该ADC子级连接的自适应滤波器才工作在自适应滤波状态，而其它ADC子级所连接的自适应滤波器在此过程中，由控制信号产生模块控制多路开关模块，使该级自适应滤波器的输出端和参考端短路，故其误差信号始终为零，滤波器不会进行抽头权系数的迭代更新，因此工作在FIR滤波器状态。

如图3所示，为采用本实施例方法针对流水线ADC第一级进行校准的原理框图，此时控制信号产生模块控制与第一级ADC子级输入端连接的数据选择模块通道i0以及与该ADC子级输出端的自适应滤波器连接的数据分配模块通道r1选通，同时多路开关中的开关s1处于断开状态，其它各路开关处于闭合状态；第一级ADC子级输入端的信号同时通过数据选择模块通道i0传送到了高精度ADC冗余子级，高精度ADC冗余子级输出的信号通过数据分配器通道r1传送到了与第一级ADC子级输出端连接的自适应滤波器中，作为自适应滤波器的参考信号Vref1。自适应滤波器同时接受第一级ADC子级的非理想信号输入和高精度ADC冗余子级产生的理想参考信号，经过本实施例方法步骤（2-3）之后完成第一级ADC子级输出信号的校准。当第一级ADC子级校准完成后，控制信号产生模块控制与第二级ADC子级输入端连接的数据选择模块通道i1以及与该ADC子级输出端的自适应滤波器连接的数据分配模块通道r2选通，第二级ADC子级输入端的信号同时通过数据选择模块通道i1传送到了高精度ADC冗余子级，高精度ADC冗余子级输出的信号通过数据分配模块通道r2传送到了与第二级ADC子级输出端连接的自适应滤波器中，作为自适应滤波器的参考信号Vref2，针对第二级ADC子级输出信号的校准。同时当第一级ADC子级校准完成后，如图4所示，由控制信号产生模块控制多路开关模块中的开关s1闭合，使与第一级ADC子级输出端连接的自适应滤波器的输出端与该自适应滤波器的参考端短路，此时，该自适应滤波器的误差信号始终为零，滤波器不会进行抽头权系数的迭代更新，因此工作在FIR滤波器状态。

在本实施例中流水线ADC中各个子级的误差对整个ADC总误差的贡献并不相同，其总误差e为，

e = e_{1} + \frac{e_{2}}{G_{1}} + \frac{e_{3}}{G_{1} * G_{2}} + . . . + \frac{e_{n}}{G_{1} * G_{2} * G_{3} * . . . * G_{n}};

其中e₁,e₂,...,e_n分别为流水线ADC第一级ADC子级至第n级ADC子级的误差，G1至Gn表示第一至第n级ADC子级的残差放大器的增益，由上述公式可以看出，流水线ADC前几个子级的误差起决定性作用，所以为了控制功耗和面积可以只对对前几级运用本实施例的方法进行校准，对后面子级运用现有的相对简单的算法进行校准，比如仅仅针对前四级进行实施例方法的校准。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种流水线ADC的后台数字校准装置，其特征在于，包括自适应滤波器、高精度ADC冗余子级、数据选择模块、数据分配模块、多路开关模块和控制信号产生模块；

2.根据权利要求1所述的流水线ADC的后台数字校准装置，其特征在于，所述j为n-1，n为流水线ADC的总级数，即所述流水线ADC中除第n级外，其它各级ADC子级的输入端分别通过数据选择模块与高精度ADC冗余子级输入端连接，相应的这些ADC子级的输出端分别通过自适应滤波器与下一级ADC子级输入端连接。

3.根据权利要求1所述的流水线ADC的后台数字校准装置，其特征在于，所述自适应滤波器为LMS自适应滤波器或RLS自适应滤波器。

4.一种基于权利要求1至3中任一项所述的流水线ADC的后台数字校准装置实现的校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的流水线ADC的后台数字校准方法，其特征在于，所述流水线ADC初始化校准后还包括随机校准步骤，所述随机校准步骤：通过控制信号产生模块控制流水线ADC第一级至第j级中随机一级ADC子级输入端连接的数据选择模块通道以及与该ADC子级输出端的自适应滤波器连接的数据分配模块通道同时选通；同时控制连接在该ADC子级输出端的自适应滤波器输出端和参考端之间的一路开关断开，其他自适应滤波器的输出端和参考端之间的各路开关闭合；然后通过上述步骤（2-2）至（2-4）对该ADC子级进行校准。

6.根据权利要求4所述的流水线ADC的后台数字校准方法，其特征在于，所述步骤（2）中自适应滤波器为LMS自适应滤波器，所述各ADC子级输出信号经过LMS自适应滤波器后m时刻的输出信号y(m)为：

y (m) = Σ_{k = 0}^{L - 1} w_{k} (m) x (m - k);

w(m)=[w₀(m)w₁(m)，...，w_L-1(m)]；

根据y(m)和d(m)得到误差信号e(m)为：

e(m)=d(m)-y(m)；

w(m+1)=w(m)+μe(m)X(m)；

其中μ为迭代步长，X(m)为

X(m)=[x(m)x(m-1)...x(m-k)...x(m-L+1)]。

7.根据权利要求4所述的流水线ADC的后台数字校准方法，其特征在于，所述步骤（2-3）中，所述X值根据ADC信噪比要求进行选择，所述X值为小于或等于0.5个ADC的最低有效位。

8.根据权利要求7所述的流水线ADC的后台数字校准方法，其特征在于，所述步骤（2-3）中，当ADC信噪比要求在60dB～90dB时，X值为10^-5。