CN104038225B - 具有自适应误差校准功能的电荷耦合流水线模数转换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有自适应误差校准功能的电荷耦合流水线模数转换器，其包括一个电荷耦合流水线模数转换器核、一个共模误差校准模块、一个差模误差校准模块、一个输入共模电压偏移补偿模块、一个数字后台校准模块和一个误差校准控制器模块。本发明能够自动检测全差分结构电荷耦合流水线模数转换器中由于非理想特性而引起的差模误差、共模误差、输入共模电压偏移误差和电路正常工作之后由于温度和电压波动带来的误差，并对这些误差进行校准，将这些误差的影响控制在模数转换器的最低分辨率要求以内，以克服各类非理想特性所造成的误差对现有电荷耦合流水线模数转换器的精度限制的问题，进一步提高现有电荷耦合流水线模数转换器的转换精度。

Description

具有自适应误差校准功能的电荷耦合流水线模数转换器

技术领域

本发明涉及一种流水线模数转换器，尤其涉及一种具有各类误差校准功能的电荷耦合流水线模数转换器。

背景技术

随着数字信号处理技术的不断发展，电子系统的数字化和集成化是必然趋势。然而现实中的信号大都是连续变化的模拟量，需经过模数转换变成数字信号方可输入到数字系统中进行处理和控制，因而模数转换器在未来的数字系统设计中是不可或缺的组成部分。在宽带通信、数字高清电视和雷达等应用领域，系统要求模数转换器同时具有非常高的采样速率和分辨率。这些应用领域的便携式终端产品对于模数转换器的要求不仅要高采样速率和高分辨率，其功耗还应该最小化。

目前，能够同时实现高采样速率和高分辨率的模数转换器结构为流水线结构模数转换器。流水线结构是一种多级的转换结构，每一级使用低精度的基本结构的模数转换器，输入信号经过逐级的处理，最后由每级的结果组合生成高精度的输出。其基本思想就是把总体上要求的转换精度平均分配到每一级,每一级的转换结果合并在一起可以得到最终的转换结果。由于流水线结构模数转换器可以在速度、功耗和芯片面积上实现最好的折中，因此在实现较高精度的模数转换时仍然能保持较高的速度和较低的功耗。

电荷耦合流水线模数转换器就是一种不使用高增益和超宽带宽的运算放大器的模数转换器，该结构模数转换器具有低功耗特性同时又能实现高速度和高精度。图1所示为专利号为200910264739.2的发明中给出的最基本的电荷耦合流水线模数转换器电路结构框图。一个电荷耦合流水线模数转换器通常包括：一个电荷耦合采样保持电路0、n级基于电荷耦合信号处理技术的流水线子级电路1～3、最后一级(第n+1级)N-bit Flash模数转换器电路4、延时同步寄存器5、数字校正电路模块6、基准信号产生电路7和时钟信号产生电路8。另外工作模式控制模块也是模数转换器工作所必须的辅助工作模块，该模块未在图中标识出来。

图2所示即为典型全差分结构实现的1.5bit/级电荷耦合子级流水线电路原理图。图2中电路由全差分的信号处理通道20p和20n构成，整个电路包括2个本级电荷传输控制开关(21p和21n)、2个电荷存储节点(24p和24n)、6个连接到电荷存储节点的电荷存储电容、2个比较器，2个受比较器输出结果控制的基准电荷选择电路(23p和23n)，2个连接到本级电荷存储节点的下一级子级电路的电荷传输控制开关(22p和22n)。电路正常工作时，前级差分电荷包首先通过21p和21n传输并存储在本级电荷存储节点24p和24n，比较器对差分电荷包输入所引起的节点24p和24n之间的电压差变化量与基准信号Vrp和Vrn进行比较，得到本级2位量化输出数字码D1D0；数字输出码D1D0将输出到延时同步寄存器，同时D1D0还将会控制本级的基准信号选择电路23p和23n，使它们分别产生一对互补的基准信号分别控制本级正负端电荷加减电容底板，对由前级传输到本级的差分电荷包进行相应大小的加减处理，得到本级差分余量电荷包；最后，电路完成本级差分余量电荷包由本级向下一级传输，复位信号Vset对本级差分电荷存储节点24p和24n进行复位，完成1.5bit/级电荷耦合流水线子级电路一个完整时钟周期的工作。

采用全差分结构进行信号处理具有非常好的抗共模干扰特性，并且可以使输入信号范围扩大为单端形式的两倍。然而要实现全差分结构信号处理电路的高性能，其进行信号处理的正、负信号处理通路必须严格对称；同时，上述电荷耦合流水线模数转换器中，后续各级电荷耦合子级流水线电路对输入电荷包进行处理时其共模电荷包大小一般保持相等不变。然而，在现有的CMOS工艺条件下，由于工艺波动随机性以及其他各类非理性因素的存在，所实现的正、负信号处理通路不能严格对称，各级电荷耦合子级流水线电路的共模电荷大小不能严格相等，而是存在一定的差模和共模误差。对于精度在10位以下的电荷耦合流水线模数转换器来说，现有CMOS工艺的工艺波动带来的误差可以忽略不计。对于精度达10位以上的电荷耦合流水线模数转换器，现有工艺条件带来的元器件失配差模误差和共模误差将不能忽略。并且实际电路中，全差分输入信号一般是通过单端信号经片外输入采样耦合电路处理得到相位差180°的差分互补信号。由于该输入采样耦合电路存在各类非理想特性，其输出的差分互补信号的共模电平会出现一定幅度的波动，同时其输出差分信号的相位差也会出现一定的误差，这样ADC输入全差分信号就可能会存在一定的共模偏移误差。

因此要实现精度10位以上的全差分结构高精度电荷耦合流水线模数转换器，必须对其正、负信号处理通路中元器件失配所带来的差模误差和各类共模误差进行校准，以克服各种非理想特性所带来的差模及共模误差对电荷耦合流水线模数转换器性能的限制。专利号为201010220534.7的发明提供了一种具有误差校准功能的电荷耦合模数转换器，能够自动检测全差分结构电荷耦合流水线模数转换器中因工艺波动所引起的差模和共模误差，并对该误差进行校准，提高现有电荷耦合流水线模数转换器的转换精度。然而该专利技术当校准模式结束进入正常工作模式一段时间后，对于温度和电压波动引起的误差则无法作出校准处理，该类误差将会直接叠加在输出结果上，影响模数转换器的转换精度。为解决该问题，需要一种可在电路进入正常工作模式后对温度和电压波动误差进行自适应校准的装置。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种全差分结构、具有差模和共模误差校准功能的电荷耦合流水线模数转换器电路，以实现更高的精度。

按照本发明提供的方案，所述具有自适应误差校准功能的电荷耦合流水线模数转换器，包括与电荷耦合流水线模数转换器核相连的共模误差校准模块、差模误差校准模块、输入共模电压偏移补偿模块、误差校准控制器模块和数字后台校准模块，其中所述误差校准控制器模块分别连接共模误差校准模块、差模误差校准模块、输入共模电压偏移补偿模块和数字后台校准模块；所述电荷耦合流水线模数转换器核用于将模拟输入信号转换为数字输出码；共模误差校准模块用于对电荷耦合流水线模数转换器核进行共模误差校准，差模误差校准模块用于对电荷耦合流水线模数转换器核进行差模校准，输入共模电压偏移补偿模块用于对芯片外部输入到电荷耦合流水线模数转换器核的输入差分信号共模电压偏移误差进行补偿，数字后台校准模块用于对电路正常工作之后由于温度和电压波动带来的误差进行校准；误差校准控制器模块用于控制整个电荷耦合流水线模数转换器的工作模式，同时还控制共模误差校准模块、差模误差校准模块、输入共模电压偏移补偿模块和数字后台校准模块的工作状态。

整个电荷耦合流水线模数转换器的工作状态有校准模式和正常数据转换模式两种；校准模式中，在所述误差校准控制器模块的控制下由共模误差校准模块和差模误差校准模块对电荷耦合流水线模数转换器核分别进行共模和差模误差校准，输入共模电压偏移补偿模块和数字后台校准模块在校准模式中将不会被启动，并且在校准模式中，电荷耦合流水线模数转换器的量化输出码为无效状态；正常数据转换模式中，在所述误差校准控制器模块的控制下由输入共模电压偏移补偿模块对电荷耦合流水线模数转换器核进行输入共模电压偏移补偿，数字后台校准模块将开始对对电路正常工作之后由于温度和电压波动带来的误差进行校准，共模误差校准模块和差模误差校准模块在整个正常数据转换模式中将不会被启动，仅保持其校准结果不变；在正常数据转换模式中，电荷耦合流水线模数转换器的量化输出码为有效状态。

所述校准模式中，由误差校准控制器模块发出校准模式开始信号，误差校准控制器模块首先发出控制码Ctrl0控制电荷耦合流水线模数转换器核进入校准模式，电荷耦合流水线模数转换器片外输入待量化的模拟信号将不再输入到电荷耦合流水线模数转换器核；误差校准控制器模块首先输出控制码Ctrl1启动共模误差校准模块，共模误差校准模块在控制码Ctrl1的控制下产生纠错信号Cal1对电荷耦合流水线模数转换器核进行共模误差校准，在完成共模误差校准工作时，控制码Ctrl1将不再有效，但是纠错信号Cal1将会保持不变，即共模纠错结果将保持不变；在完成共模误差校准工作之后，误差校准控制器模块将会输出控制码Ctrl2启动差模误差校准模块，差模误差校准模块在控制码Ctrl2的控制下产生纠错信号Cal2对电荷耦合流水线模数转换器核进行差模误差校准，在完成差模误差校准工作时，控制码Ctrl2将不再有效，但是纠错信号Cal2将会保持不变，即差模纠错结果将保持不变；在完成差模误差校准工作后，电荷耦合流水线模数转换器退出校准模式，开始正常数据转换模式。

所述正常数据转换模式中，误差校准控制器模块输出控制码Ctrl3启动输入共模电压偏移补偿模块，同时输出控制码Ctrl4启动数字后台校准模块，输入共模电压偏移补偿模块在控制码Ctrl3的控制下产生纠错信号Cal3对电荷耦合流水线模数转换器核进行输入共模电压偏移补偿，数字后台校准模块在控制码Ctrl4的控制下产生纠错信号Cal4开始对流水线模数转换器核正常工作之后由于温度和电压波动带来的误差进行校准。

当电荷耦合流水线模数转换器上电复位开始启动时，首先进入的是校准模式，在完成共模和差模校准工作后，电荷耦合流水线模数转换器结束校准模式，同时电荷耦合流水线模数转换器完成上电复位步骤；在退出校准模式后，电荷耦合流水线模数转换器进入正常数据转换模式，开始正常数据转换工作。

所述校准控制器模块包括通过总线互相连接的MCU、ROM、SRAM、共模校准控制逻辑、差模校准控制逻辑、输入共模电压偏移补偿控制逻辑和数字后台校准控制逻辑；其中，MCU起总体控制作用，所有校准工作的控制指令均由MCU模块50发出；ROM用于存储校准控制程序；SRAM用于存储校准过程中产生的数据，起到数据缓存的作用；共模校准控制逻辑、差模校准控制逻辑、输入共模电压偏移补偿控制逻辑和数字后台校准控制逻辑分别在校准流程进行到共模校准、共模校准、输入共模电压偏移补偿和数字后台校准步骤时起作用，用于对应校准步骤的控制工作。

所述数字后台校准模块包括伪随机码产生模块、求平均值模块、后台误差估计模块和后台误差纠正模块，所述后台误差纠正模块的输入连接电荷耦合流水线模数转换器核中第一级子级流水线电路和后级电路的输出，所述后级电路的输出还连接到求平均模块；伪随机码产生模块用于产生伪随机码，其输出同时给电荷耦合流水线模数转换器核的第一级子级流水线电路和后台误差纠正模块；求平均值模块对电荷耦合流水线模数转换器核的除第一级外的后级电路的量化输出值D_res进行平均处理，平均处理后的结果输出给后台误差纠正模块；后台误差估计模块根据所述后台误差纠正模块所提供的误差原码进行实时误差估计，并将纠错码反馈给后台误差纠正模块；后台误差纠正模块对电荷耦合流水线模数转换器核中各级子电路提供的输出码、伪随机码产生模块产生的伪随机码、求平均模块所提供的平均码和后台误差估计模块提供的纠错码进行处理得到模数转换器的最终输出D_out。

本发明的优点是：能够自动检测全差分结构电荷耦合流水线模数转换器中由于非理想特性而引起的差模误差、共模误差、输入共模电压偏移误差和电路正常工作之后由于温度和电压波动带来的误差，并对这些误差进行校准，将这些误差的影响控制在模数转换器的最低分辨率要求以内，以克服各类非理想特性所造成的误差对现有电荷耦合流水线模数转换器的精度限制的问题，进一步提高现有电荷耦合流水线模数转换器的转换精度。

附图说明

图1为现有典型电荷耦合流水线模数转换器结构框图。

图2为典型1.5bit/级电荷耦合子级流水线电路原理图。

图3为本发明具有自适应误差校准功能的电荷耦合流水线模数转换器结构框图。

图4为本发明误差校准流程图。

图5为本发明校准控制器模块结构框图。

图6为本发明中数字后台校准模块的电路结构框图。

图7为本发明中数字后台校准模块所产生伪随机码的调制位置示意图。

图8为本发明中伪随机码产生模块结构框图。

图9为本发明中伪随机码对子ADC电路的调制原理图。

图10为本发明中后台误差纠正模块结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图3所示，本发明所述的具有自适应误差校准功能的电荷耦合流水线模数转换器300内部包含：与电荷耦合流水线模数转换器核30相连的共模误差校准模块31、差模误差校准模块32、输入共模电压偏移补偿模块33、误差校准控制器模块34和数字后台校准模块35，其中所述误差校准控制器模块34分别连接共模误差校准模块31、差模误差校准模块32、输入共模电压偏移补偿模块33和数字后台校准模块35。电荷耦合流水线模数转换器核30为整个模数转换器的核心模块，其用于将模拟输入信号转换为数字输出码，其余5个模块用于对电荷耦合流水线模数转换器核30进行误差校准；共模误差校准模块31用于对电荷耦合流水线模数转换器核30进行共模误差校准，差模误差校准模块32用于对电荷耦合流水线模数转换器核30进行差模校准，输入共模电压偏移补偿模块33用于对芯片外部输入到电荷耦合流水线模数转换器核30的输入差分信号共模电压偏移误差进行补偿，数字后台校准模块35用于对电路正常工作之后由于温度和电压波动带来的误差进行校准；误差校准控制器模块34用于控制整个模数转换器300的工作模式，同时还控制共模误差校准模块31、差模误差校准模块32、输入共模电压偏移补偿模块33和数字后台校准模块35的工作状态。其中电荷耦合流水线模数转换器核30为图1所示的基本电荷耦合流水线模数转换器。

图3所示的具有自适应误差校准功能的电荷耦合流水线模数转换器电路的工作状态有校准模式和正常数据转换模式两种工作模式。校准模式中，模数转换器300在其内部误差校准控制器模块34的控制下由共模误差校准模块31和差模误差校准模块32对电荷耦合流水线模数转换器核30分别进行共模和差模误差校准，输入共模电压偏移补偿模块33和数字后台校准模块35在校准模式中将不会被启动，在并且在整个校准模式中，模数转换器300的量化输出码为无效状态；正常数据转换模式中，模数转换器300在其内部误差校准控制器模块34的控制下由输入共模电压偏移补偿模块33对电荷耦合流水线模数转换器核30进行输入共模电压偏移补偿，数字后台校准模块35将开始对对电路正常工作之后由于温度和电压波动带来的误差进行校准，共模误差校准模块31和差模误差校准模块32在整个正常数据转换模式中将不会被启动仅保持其校准结果不变，在正常数据转换模式中，模数转换器300的量化输出码为有效状态。

具有自适应误差校准功能的电荷耦合流水线模数转换器300处于校准模式时的工作原理为：电路由误差校准控制器模块34发出校准模式开始信号，整个误差校准电路开始工作，电荷耦合流水线模数转换器300进入校准模式；误差校准控制器模块34首先发出控制码Ctrl0控制电荷耦合流水线模数转换器核30进入校准模式，模数转换器300片外输入待量化的模拟信号将不再输入到电荷耦合流水线模数转换器核30；误差校准控制器模块34首先输出控制码Ctrl1启动共模误差校准模块31，共模误差校准模块31在控制码Ctrl1的控制下产生纠错信号Cal1对电荷耦合流水线模数转换器核30进行共模误差校准，在完成共模误差校准工作时，控制码Ctrl1将不再有效，但是纠错信号Cal1将会保持不变，即共模纠错结果将保持不变；在完成共模误差校准工作之后，误差校准控制器模块34将会输出控制码Ctrl2启动差模误差校准模块32，差模误差校准模块32在控制码Ctrl2的控制下产生纠错信号Cal2对电荷耦合流水线模数转换器核30进行差模误差校准，在完成差模误差校准工作时，控制码Ctrl2将不再有效，但是纠错信号Cal2将会保持不变，即差模纠错结果将保持不变；输入共模电压偏移补偿模块33和数字后台校准模块35在校准模式中将不会被启动，在并且在整个校准模式中，模数转换器300的量化输出码为无效状态；在完成差模误差校准工作后，模数转换器300退出校准模式，开始正常数据转换模式。

模数转换器300处于正常数据转换模式时的工作原理为：误差校准控制器模块34输出控制码Ctrl3启动输入共模电压偏移补偿模块33，同时输出控制码Ctrl4启动数字后台校准模块35，输入共模电压偏移补偿模块33在控制码Ctrl3的控制下产生纠错信号Cal3对电荷耦合流水线模数转换器核30进行输入共模电压偏移补偿，数字后台校准模块35在控制码Ctrl4的控制下产生纠错信号Cal4开始对流水线模数转换器核30正常工作之后由于温度和电压波动带来的误差进行校准，共模误差校准模块31和差模误差校准模块32在整个正常数据转换模式中将不会被启动仅保持其校准结果不变，在整个正常数据转换模式中，模数转换器300的量化输出码为有效状态。

上述具有自适应误差校准功能的电荷耦合流水线模数转换器300的两种工作模式中，当模数转换器300上电复位开始启动时，首先进入的是校准工作模式，在完成共模和差模校准工作后，模数转换器300结束校准工作模式，同时模数转换器300完成上电复位步骤。在退出校准工作模式后，模数转换器300进入正常数据转换模式，开始正常数据转换工作。整个电荷耦合流水线模数转换器300的误差校准工作流程图如图4所示。

图5所示为本发明具有自适应误差校准功能的电荷耦合流水线模数转换器300中校准控制器模块34的结构框图。校准控制器模块34内部的功能包括MCU(微处理器)模块50、ROM模块51、SRAM模块52、共模校准控制逻辑53、差模校准控制逻辑54、输入共模电压偏移补偿控制逻辑55和数字后台校准控制逻辑56。其中，MCU模块的作用在于起到总体控制作用，所有校准工作的控制均由MCU模块50发出；ROM模块51用于存储校准控制程序，在芯片加工出来以后，存储在ROM上的校准控制程序将固定不变；SRAM模块用于存储校准过程中产生的数据，起到数据缓存的作用；共模校准控制逻辑53、差模校准控制逻辑54、输入共模电压偏移补偿控制逻辑55和数字后台校准控制逻辑56分别在校准流程进行到共模校准、共模校准、输入共模电压偏移补偿和数字后台校准步骤时起作用，用于对应校准步骤的控制工作。

图5中电路工作过程如下：模数转换器上电复位后，MCU模块从ROM模块中读取校准程序；根据校准程序，MCU模块将会首先使模数转换器300进入校准模式，并产生控制码Ctrl0用于使电荷耦合流水线模数转换器核30进入校准模式，然后使共模校准控制逻辑53有效，共模校准控制逻辑53将会产生控制码Ctrl1控制模数转换器300的共模误差校准模块31对电荷耦合流水线模数转换器核30进行共模误差校准，MCU通过共模校准控制逻辑53反馈信号对共模校准工作是否完成；在MCU判断电路完成共模误差校准工作之后，MCU模块将会使差模校准控制逻辑54有效，差模校准控制逻辑54将会产生控制码Ctrl2控制模数转换器300的差模误差校准模块32对电荷耦合流水线模数转换器核30进行差模误差校准，MCU通过差模校准控制逻辑54反馈信号对共模校准工作是否完成；在MCU判断电路完成差模误差校准工作之后，MCU模块将会使模数转换器300退出校准模式进入正常数据转换模式，并改变控制码Ctrl0用于使电荷耦合流水线模数转换器核30进入正常数据转换模式；模数转换器300进入正常数据转换模式之后，MCU模块将会使输入共模电压偏移补偿控制逻辑55和数字后台校准控制逻辑56有效，输入共模电压偏移补偿控制逻辑55将会产生控制码Ctrl3控制输入共模电压偏移补偿模块33对电荷耦合流水线模数转换器核30进行输入共模电压偏移补偿，数字后台校准控制逻辑56将会产生控制码Ctrl4控制数字后台校准模块35开始对流水线模数转换器核30正常工作之后由于温度和电压波动带来的误差进行校准。

具有自适应误差校准功能的电荷耦合流水线模数转换器300处于校准模式时的两个校准步骤的具体实施例参见专利号为201010220534.7的发明专利，在此不再叙述。

如前所述，具有自适应误差校准功能的电荷耦合流水线模数转换器300处于校准模式时首先进行共模校准步骤，其次进行差模校准步骤。在完成差模校准步骤之后模数转换器300退出校准模式，进入正常数据转换模式。正常数据转换模式中，模数转换器300在其内部误差校准控制器模块34的控制下由输入共模电压偏移补偿模块33对电荷耦合流水线模数转换器核30进行输入共模电压偏移补偿和数字后台校准。输入共模电压偏移补偿模块的具体实施例可参考专利号为201010220534.7的发明专利，在此不再叙述。下面详细介绍数字后台校准模块35的实现方式。

图6所示是本发明专利一种可以使用的数字后台校准模块的框图。数字后台校准模块35包括伪随机码产生模块PN、求平均值模块、后台误差估计模块和后台误差纠正模块，所述后台误差纠正模块的输入连接电荷耦合流水线模数转换器核30中第一级子级流水线电路和后级电路的输出，所述后级电路的输出还连接到求平均模块；伪随机码产生模块用于产生伪随机码，其输出同时给电荷耦合流水线模数转换器核30的第一级子级流水线电路和后台误差纠正模块；求平均值模块对电荷耦合流水线模数转换器核30的除第一级外的后级电路的量化输出值D_res进行平均处理，平均处理后的结果输出给后台误差纠正模块；后台误差估计模块根据所述后台误差纠正模块所提供的误差原码进行实时误差估计，并将纠错码反馈给后台误差纠正模块；后台误差纠正模块对电荷耦合流水线模数转换器核30中各级子电路提供的输出码、伪随机码产生模块产生的伪随机码、求平均模块所提供的平均码和后台误差估计模块提供的纠错码进行处理得到模数转换器的最终输出D_out。

图7所示为所述伪随机码产生模块所产生伪随机码在电荷耦合流水线模数转换器的第一级子级流水线电路中的作用方式。本实施方式中采用的是伪随机码作用于子ADC模块，将伪随机码作用于子DAC模块的方式也成立，不过配套的数字算法不同。输入电荷Qi进入第一级电路后，伪随机序列调制的子ADC电路701首先对输入电荷包Qi进行量化，得到K比特数字编码；该编码将被用于子DAC电路702产生Q_dac，同时还被输出给后台误差纠正模块；子DAC电路702产生的Q_dac将会对输入电荷Qi进行求和处理，并得到余量电荷经过余量增益电路703输出得到Qo，用于后续子级电路处理。

本发明伪随机码产生模块的一个实例如图8所示。该电路为一般的线性移位寄存器。能产生2¹⁵个时钟周期长度的伪随机序列，总共有28个抽头，每个抽头不会自相关，抽头之间也不会相关。由Q0～Q27中抽取出八个节点作为伪随机信号产生点，记为S1_PN1、S1_PN2、S2_PN1、S2_PN2。其中S1_PN1、S1_PN2送到第一级子模数转换器，S2_PN1、S2_PN2送到第二级子模数转换器。S1_PN1、S2_PN1为1比特序列，用于噪声信号的注入；S1_PN2、S2_PN2为3比特序列，用于标示8个采样电容。

图9所示为图7中伪随机序列调制子ADC电路的原理图。伪随机序列调制的子ADC电路包括2^K-1组由伪随机序列PR₁～PR₂ ^K-1控制的参考电压选通电路301、302、···、303，311、312、···、313和2^K个动态锁存比较器阵列321、322、···、323。伪随机序列PR₁～PR₂ ^K-1由伪随机码产生模块生成，伪随机序列PR₁～PR₂ ^K-1控制选通电路301、302、···、303，使得选择一组高电平Ref_p1～Ref_p2 ^K-2生成一组高电平信号Vref_p1～Vref_p2 ^K-2，伪随机序列PR₁～PR₂ ^K-1控制选通电路311、312、···、313，使得选择一组低电平Ref_n1～Ref_n2 ^K-2生成一组低电平信号Vref_n1～Vref_n2 ^K-2，伪随机序列PR₁～PR₂ ^K-1分别控制2^K-2组选通电路301、302、···、303中的2^K-1个开关，伪随机序列PR₁～PR₂ ^K-1的顺序可以是任意的，只要在这2^K-2组选通电路301、302、···、303中不重复即可，伪随机序列PR₁～PR₂ ^K-1分别控制2^K-2组选通电路311、312、···、313中的2^K-1个开关，伪随机序列PR₁～PR₂ ^K-1的顺序可以是任意的，只要在这2^K-1组选通电路311、312、···、313中不重复即可。两组高低电平信号Vref_p1～Vref_p2 ^K-2、Vref_n1～Vref_n2 ^K-2输出到2^K个组动态锁存比较器阵列321、322、···、323的参考电压输入端，Vref₁～Vref₂ ^K-1信号输出到2^K个动态锁存比较器阵列321、322、···、323的参考电压输入端的顺序也可以是任意的，但必须确保当动态锁存比较器阵列321、322、···、323的参考电压输入端的正端为Vref_p1～Vref_p2 ^K-2中的一个时，该比较器的参考电压输入端的负端必须是Vref_n1～Vref_n2 ^K-2中与正端相对应的那个，2^K个动态锁存比较器阵列321、322、···、323通过对输入信号V_ip、V_in和参考电压Vref_p1～Vref_p2 ^K-2，Vref_n1～Vref_n2 ^K-2进行比较量化，生成两组相位相反的温度计码T₁、T_n1，···，T₂ ^K、T_n2 ^K，由于参考电压Vref_p1～Vref_p2 ^K-2，Vref_n1～Vref_n2 ^K-2信号由伪随机序列PR₁～PR₂ ^K-1选通得到，因此动态锁存比较器阵列321、322、···、323输出的温度计T₁、T_n1，···，T₂ ^K、T_n2 ^K具有伪随机性质，所以这2^K个动态锁存比较器321、322、···、323的顺序可以是任意的，即在随机序列调制的子ADC电路201中的比较器的位置摆放没有高低位之分，温度计T₁、T_n1，···，T₂ ^K、T_n2 ^K作为伪随机序列调制的子ADC电路201的最终输出。高低电平Ref_p1～Ref_p2 ^K-2，Ref_n1～Ref_n2 ^K-2由基准电路产生，其中Ref_p1～Ref_p2 ^K-2电平为从高到低，Ref_n1～Ref_n2 ^K-2电平为从低到高，Ref_p2 ^K-2大于Ref_n2 ^K-2，Ref_p1～Ref_p2 ^K-2～Ref_n2 ^K-2～Ref_n1可以是成等差排列的参考电平，也可以是在等差排列的基础上加入了随机或伪随机抖动信号的参考电平，或是具有其他特性的从高至低排列的参考电平。伪随机序列PR₁～PR₂ ^K-1控制的开关可以用单独的NMOS、PMOS或CMOS传输门电路实现。

如图10所示为一种可以采用的后台误差纠正模块，由误差估计模块得到校正参数b₁和p₃的值，连同模数转换器后级数字输出D_res一并送入误差纠正模块。根据公式，利用p₃和D_res的值可得到子模块f(D_res,p₃)的结果如下：

其中p₃为b₃和b₁的函数，是数字后台校正中实际用到的校正参数，p₃＝-(b₃/b₁)。b₃和b₁均为误差估计公式的变量参考系数，由实验统计结果设定。为了简化硬件设计，可以把函数f(D_res,p₃)做成以p₃和D_res为变量的二维查找表存储在ROM中，通常对于每一个D_res值只需要64-kBits大小的ROM就可以存储足够覆盖温度和工艺变化的p₃参数。

将上式结果和b₁的值代入下式求出校正后的后级数字输出D_res,corr，

最后将插入模数转换器的伪随机序列从数字输出中消除，并将模数转换器各级输出编码，得到最终数字输出结果。

由上可见，本发明具有如下优点：能够自动检测全差分结构电荷耦合流水线模数转换器中由于非理想特性而引起的差模误差、共模误差、输入共模电压偏移误差和电路正常工作之后由于温度和电压波动带来的误差，并对这些误差进行校准，将这些误差的影响控制在模数转换器的最低分辨率要求以内，以克服各类非理想特性所造成的误差对现有电荷耦合流水线模数转换器的精度限制的问题，进一步提高现有电荷耦合流水线模数转换器的转换精度。

Claims (6)

1.具有自适应误差校准功能的电荷耦合流水线模数转换器，其特征是，包括与电荷耦合流水线模数转换器核（30）相连的共模误差校准模块（31）、差模误差校准模块（32）、输入共模电压偏移补偿模块（33）、误差校准控制器模块（34）和数字后台校准模块（35），其中所述误差校准控制器模块（34）分别连接共模误差校准模块（31）、差模误差校准模块（32）、输入共模电压偏移补偿模块（33）和数字后台校准模块（35）；所述电荷耦合流水线模数转换器核（30）用于将模拟输入信号转换为数字输出码；共模误差校准模块（31）用于对电荷耦合流水线模数转换器核（30）进行共模误差校准，差模误差校准模块（32）用于对电荷耦合流水线模数转换器核（30）进行差模校准，输入共模电压偏移补偿模块（33）用于对芯片外部输入到电荷耦合流水线模数转换器核（30）的输入差分信号共模电压偏移误差进行补偿，数字后台校准模块（35）用于对电路正常工作之后由于温度和电压波动带来的误差进行校准；误差校准控制器模块（34）用于控制整个电荷耦合流水线模数转换器的工作模式，同时还控制共模误差校准模块（31）、差模误差校准模块（32）、输入共模电压偏移补偿模块（33）和数字后台校准模块（35）的工作状态；

所述数字后台校准模块（35）包括伪随机码产生模块、求平均值模块、后台误差估计模块和后台误差纠正模块，所述后台误差纠正模块的输入连接电荷耦合流水线模数转换器核（30）中第一级子级流水线电路和后级电路的输出，所述后级电路的输出还连接到求平均模块；伪随机码产生模块用于产生伪随机码，其输出同时给电荷耦合流水线模数转换器核（30）的第一级子级流水线电路和后台误差纠正模块；求平均值模块对电荷耦合流水线模数转换器核（30）的除第一级外的后级电路的量化输出值D_res进行平均处理，平均处理后的结果输出给后台误差纠正模块；后台误差估计模块根据所述后台误差纠正模块所提供的误差原码进行实时误差估计，并将纠错码反馈给后台误差纠正模块；后台误差纠正模块对电荷耦合流水线模数转换器核（30）中各级子电路提供的输出码、伪随机码产生模块产生的伪随机码、求平均模块所提供的平均码和后台误差估计模块提供的纠错码进行处理得到模数转换器的最终输出D_out。

2.如权利要求1所述具有自适应误差校准功能的电荷耦合流水线模数转换器，其特征是，整个电荷耦合流水线模数转换器的工作状态有校准模式和正常数据转换模式两种；

校准模式中，在所述误差校准控制器模块（34）的控制下由共模误差校准模块（31）和差模误差校准模块（32）对电荷耦合流水线模数转换器核（30）分别进行共模和差模误差校准，输入共模电压偏移补偿模块（33）和数字后台校准模块（35）在校准模式中将不会被启动，并且在校准模式中，电荷耦合流水线模数转换器的量化输出码为无效状态；

正常数据转换模式中，在所述误差校准控制器模块（34）的控制下由输入共模电压偏移补偿模块（33）对电荷耦合流水线模数转换器核（30）进行输入共模电压偏移补偿，数字后台校准模块（35）将开始对对电路正常工作之后由于温度和电压波动带来的误差进行校准，共模误差校准模块（31）和差模误差校准模块（32）在整个正常数据转换模式中将不会被启动，仅保持其校准结果不变；在正常数据转换模式中，电荷耦合流水线模数转换器的量化输出码为有效状态。

3.如权利要求2所述具有自适应误差校准功能的电荷耦合流水线模数转换器，其特征是，所述校准模式中，由误差校准控制器模块（34）发出校准模式开始信号，误差校准控制器模块（34）首先发出控制码Ctrl0控制电荷耦合流水线模数转换器核（30）进入校准模式，电荷耦合流水线模数转换器片外输入待量化的模拟信号将不再输入到电荷耦合流水线模数转换器核（30）；误差校准控制器模块（34）首先输出控制码Ctrl1启动共模误差校准模块（31），共模误差校准模块（31）在控制码Ctrl1的控制下产生纠错信号Cal1对电荷耦合流水线模数转换器核（30）进行共模误差校准，在完成共模误差校准工作时，控制码Ctrl1将不再有效，但是纠错信号Cal1将会保持不变，即共模纠错结果将保持不变；在完成共模误差校准工作之后，误差校准控制器模块（34）将会输出控制码Ctrl2启动差模误差校准模块（32），差模误差校准模块（32）在控制码Ctrl2的控制下产生纠错信号Cal2对电荷耦合流水线模数转换器核（30）进行差模误差校准，在完成差模误差校准工作时，控制码Ctrl2将不再有效，但是纠错信号Cal2将会保持不变，即差模纠错结果将保持不变；在完成差模误差校准工作后，电荷耦合流水线模数转换器退出校准模式，开始正常数据转换模式。

4.如权利要求2所述具有自适应误差校准功能的电荷耦合流水线模数转换器，其特征是，所述正常数据转换模式中，误差校准控制器模块（34）输出控制码Ctrl3启动输入共模电压偏移补偿模块（33），同时输出控制码Ctrl4启动数字后台校准模块（35），输入共模电压偏移补偿模块（33）在控制码Ctrl3的控制下产生纠错信号Cal3对电荷耦合流水线模数转换器核（30）进行输入共模电压偏移补偿，数字后台校准模块（35）在控制码Ctrl4的控制下产生纠错信号Cal4开始对流水线模数转换器核（30）正常工作之后由于温度和电压波动带来的误差进行校准。

5.如权利要求2所述具有自适应误差校准功能的电荷耦合流水线模数转换器，其特征是，当电荷耦合流水线模数转换器上电复位开始启动时，首先进入的是校准模式，在完成共模和差模校准工作后，电荷耦合流水线模数转换器结束校准模式，同时电荷耦合流水线模数转换器完成上电复位步骤；在退出校准模式后，电荷耦合流水线模数转换器进入正常数据转换模式，开始正常数据转换工作。

6.如权利要求1所述具有自适应误差校准功能的电荷耦合流水线模数转换器，其特征是，所述校准控制器模块（34）包括通过总线互相连接的MCU（50）、ROM（51）、SRAM（52）、共模校准控制逻辑（53）、差模校准控制逻辑（54）、输入共模电压偏移补偿控制逻辑（55）和数字后台校准控制逻辑（56）；其中，MCU（50）起总体控制作用，所有校准工作的控制指令均由MCU模块50发出；ROM（51）用于存储校准控制程序；SRAM（52）用于存储校准过程中产生的数据，起到数据缓存的作用；共模校准控制逻辑（53）、差模校准控制逻辑（54）、输入共模电压偏移补偿控制逻辑（55）和数字后台校准控制逻辑（56）分别在校准流程进行到共模校准、共模校准、输入共模电压偏移补偿和数字后台校准步骤时起作用，用于对应校准步骤的控制工作。