CN104363020B - 一种流水线模数转换器及其误差校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于流水线模数转换器的前台数字校准方法，在经典流水线模数转换器结构的基础上，在需要校准误差的级添加级校准添加电路。在校准工作期间，通过对需要校准误差级的级校准添加电路和采样电容给定4种特定输入，进而通过前台数字校准计算及校准电路提取出校准级电容失配误差、运放失调误差及子数模转换器参考电压误差。在正常工作期间，前台数字校准计算及校准电路工作。该前台数字校准算法结构简单、添加极少的额外元件、时序控制简单、寄存器个数少，同时大大减小了数字电路设计的难度与周期。该前台数字校准算法对流水线模数转换器的静态特性校准效果明显，对动态特性有一定的校准效果。
Description
技术领域
本发明涉及用于红外焦平面阵列读出电路的模数转换器，尤其是涉及一种流水线模数转换器及其误差校准方法。
背景技术
读出电路(ROIC)是非致冷红外焦平面阵列（IRFPA）的关键部件之一，它的主要功能是对红外探测器感应的微弱信号进行预处理（如积分、放大、滤波、采样/保持等）和阵列信号的并/串行转换。视探测器所用材料和工作方式的不同，读出电路结构随之变化，以在满足帧频的要求下获得最大的信噪比（SNR）。
ROIC属于数模混合集成技术。像元电路部分属于模拟电路，它对MOS管沟道宽长比有特殊的要求，需要有比数字电路更加精确的设计。另外，为了增大积分电容的面积，复杂的电路设计在ROIC中也是不容许的。先进的ROIC为了减小读出噪声和提高帧刷新频率，将滤波电路、模数转换等功能器件集成在一块芯片内，这是今后ROIC发展的趋势。
模数转换器集成到焦平面阵列中，不但可以简化阵列与系统的接口设计，也可将易受电磁干扰的模拟输出信号转为抗干扰能力强的数字信号，提高系统的整体性能。
经典的无校准的流水线模数转换器中，由于制造工艺的原因，电容失配误差是不可避免的，其在一定程度上限制了分辨率与采样速率的有效折中，尤其是在大阵列、高帧频的非致冷红外焦平面阵列的读出技术中，存在更高分辨率及更高采样速率的限制。因此，存在校准非致冷红外焦平面阵列中的流水线模数转换器的误差的需求。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种能够有效校准电容失配误差、运放失调误差及子数模转换器参考电压误差引起的静态特性下降的问题的流水线模数转换器及其误差校准方法。
本发明公开的技术方案包括：
提供了一种流水线模数转换器，其特征在于：包括至少两级模数转换器和前台数字校准计算及校准电路30，其中：至少第1级模数转换器10包括校准电路102和MDAC电路100，所述校准电路102包括校准电容CC，所述校准电容CC一端连接到所述MDAC电路100，另一端分别通过开关元件连接到第一参考电压+Vref、第二参考电压-Vref和接地端；所述前台数字校准计算及校准电路30连接到所述至少两级模数转换器；其中包括所述校准电路102的所述至少第1级模数转换器10通过所述校准电路20和所述MDAC电路100产生包含误差的模拟残差信号，并且所述至少两级模数转换器将所述模拟残差信号转换为数字码；所述前台数字校准计算及校准电路30接收所述数字码、根据所述数字码获得所述流水线模数转换器的误差校准码、并且当所述流水线模数转换器正常工作时用所述误差校准码校准所述流水线模数转换器转换输出的数据。
本发明的一个实施例中，所述MDAC电路100包括运算放大器、采样电容CS和反馈电容Cf，所述采样电容CS的一端分别通过开关元件连接到所述流水线模数转换器的信号输入端Vin、第一参考电压+Vref、第二参考电压-Vref和接地端，另一端连接到所述运算放大器的反相输入端并通过开关元件接地，所述校准电容CC的所述一端连接到所述运算放大器的反相输入端。
本发明的一个实施例中，所述反馈电容Cf的一端连接到所述运算放大器的反相输入端，另一端分别通过开关元件连接到所述流水线模数转换器的信号输入端Vin和所述运算放大器的输出端Vout。
本发明的一个实施例中，所述校准电容CC的电容值为所述采样电容CS或者所述反馈电容Cf的电容值的一半。
本发明的实施例中还提供了一种使用前述的流水线模数转换器校准误差的方法，其特征在于，包括：将所述至少第1级模数转换器10切换至采样相；将所述至少第1级模数转换器10从所述采样相切换到第一保持相，产生第一模拟残差信号，并通过所述至少两级模数转换器转换所述第一模拟残差信号获得第一数字码；将所述至少第1级模数转换器10从所述采样相切换到第二保持相，产生第二模拟残差信号，并通过所述至少两级模数转换器转换所述第二模拟残差信号获得第二数字码；将所述至少第1级模数转换器10从所述采样相切换到第三保持相，产生第三模拟残差信号，并通过所述至少两级模数转换器转换所述第三模拟残差信号获得第三数字码；将所述至少第1级模数转换器10从所述采样相切换到第四保持相，产生第四模拟残差信号，并通过所述至少两级模数转换器转换所述第四模拟残差信号获得第四数字码；根据所述第一数字码、第二数字码、第三数字码和第二数字码获得所述流水线模数转换器的误差校准码；当所述流水线模数转换器正常工作时，用所述误差校准码校准所述流水线模数转换器转换输出的数据。
本发明的一个实施例中，所述采样相为：所述校准电容CC、所述采样电容CS和所述反馈电容Cf并联，并且一端接地，另一端连接到所述运算放大器的反相输入端。
本发明的一个实施例中，所述第一保持相为：所述校准电容CC一端连接到所述第二参考电压-Vref，另一端连接到所述运算放大器的反相输入端，所述采样电容CS的一端连接到所述第一参考电压+Vref，另一端连接到所述运算放大器的反相输入端，并且所述反馈电容Cf的一端连接到所述运算放大器的反相输入端，另一端连接到所述运算放大器的输出端。
本发明的一个实施例中，所述第二保持相为：所述校准电容CC一端连接到所述第一参考电压+Vref，另一端连接到所述运算放大器的反相输入端，所述采样电容CS的一端连接到所述第二参考电压-Vref，另一端连接到所述运算放大器的反相输入端，并且所述反馈电容Cf的一端连接到所述运算放大器的反相输入端，另一端连接到所述运算放大器的输出端。
本发明的一个实施例中，所述第三保持相为：所述校准电容CC一端连接到所述第一参考电压+Vref，另一端连接到所述运算放大器的反相输入端，所述采样电容CS的一端连接到所述接地端，另一端连接到所述运算放大器的反相输入端，并且所述反馈电容Cf的一端连接到所述运算放大器的反相输入端，另一端连接到所述运算放大器的输出端。
本发明的一个实施例中，所述第四保持相为：所述校准电容CC一端连接到所述第二参考电压-Vref，另一端连接到所述运算放大器的反相输入端，所述采样电容CS的一端连接到所述接地端，另一端连接到所述运算放大器的反相输入端，并且所述反馈电容Cf的一端连接到所述运算放大器的反相输入端，另一端连接到所述运算放大器的输出端。
本发明的实施例中，能够校准部分电容误差、全部运放失调电压误差、部分子数模转换器参考电压误差，需要的添加的额外元件少，数字域只需要进行加减的运算，大大简化了电路的设计。经过仿真验证，本发明的针对流水线模数转换器的误差的校准方法能够有效的校准因误差造成的静态特性下降的问题。
附图说明
图1是本发明一个实施例的流水线模数转换器的结构框图示意图。
图2是本发明一个实施例的第1级模数转换器的结构示意图。
图3是本发明一个实施例的处于采样相状态中的第1级模数转换器的示意图。
图4是本发明一个实施例的处于第一保持相状态中的第1级模数转换器的示意图。
图5是本发明一个实施例的处于第二保持相状态中的第1级模数转换器的示意图。
图6是本发明一个实施例的处于第三保持相状态中的第1级模数转换器的示意图。
图7是本发明一个实施例的处于第四保持相状态中的第1级模数转换器的示意图。
图8是本发明一个实施例的校准码的示意图。
图9是本发明一个实施例的模数转换器存在正的采样电容失配及正的运放失调电压的情况下传输曲线校准前效果示意图。
图10是本发明一个实施例的模数转换器存在正的采样电容失配及正的运放失调电压的情况下传输曲线校准后效果示意图。
图11是本发明一个实施例14bit流水线模数转换器的存在较大的采样电容失配的情况下校准前的静态特性图。
图12是本发明一个实施例14bit流水线模数转换器的存在较大的采样电容失配的情况下校准后的静态特性图。
具体实施方式
下面将结合附图详细说明本发明的实施例的流水线模数转换器的具体结构及其误差校准方法的具体步骤。
如图1所示，本发明的一个实施例中，一种流水线模数转换器包括至少两级模数转换器（例如，图1中的10、12、14、16等等）和前台数字校准计算及校准电路30。
本发明的实施例中，设有校准电路，该校准电路可以设置在该至少两级模数转换器中的前一个或者几个级模数转换器中。
例如，如图1和图2所示，至少第1级模数转换器10包括校准电路102和MDAC（Multiplying Digital to Analog Converter，乘法型数模转换器）电路100。校准电路102包括校准电容CC，该校准电容CC一端连接到MDAC电路100，另一端分别通过开关元件连接到第一参考电压+Vref、第二参考电压-Vref和接地端。
前台数字校准计算及校准电路30连接到前述的至少两级模数转换器。
本发明的实施例中，包括了前述的校准电路（102）的前述至少第1级模数转换器10通过校准电路（20）和MDAC电路（100）产生包含误差的模拟残差信号（下文中详述），并且前述的至少两级模数转换器将这些模拟残差信号转换为数字码，这些数字码含了该流水线模数转换器中的误差。
因此，本发明的实施例中，前台数字校准计算及校准电路30可以接收这些数字码，并根据这些数字码获得流水线模数转换器的误差校准码。前台数字校准计算及校准电路30可以存储这些误差校准码，并且当流水线模数转换器正常工作时，读取这些误差校准码并用这些误差校准码校准流水线模数转换器转换输出的数据。
本发明的实施例中，流水线模数转换器还可以包括冗余位数字校正电路20，该冗余位数字校正电路位于该至少两级模数转换器与前台数字校准计算及校准电路30之间。即，该至少两级模数转换器产生数字码可以经过冗余位数字校正电路20的校正之后输入到前台数字校准计算及校准电路30中。
如图2所示，本发明的一个实施例中，MDAC电路100包括运算放大器、采样电容CS和反馈电容Cf。
采样电容CS的一端分别通过开关元件连接到流水线模数转换器的信号输入端Vin、第一参考电压+Vref、第二参考电压-Vref和接地端，另一端连接到运算放大器的反相输入端并通过开关元件接地。校准电路102中的校准电容CC的一端（即与MDAC电路100连接的那一端）连接到运算放大器的反相输入端。
反馈电容Cf的一端连接到运算放大器的反相输入端，另一端分别通过开关元件连接到流水线模数转换器的信号输入端Vin和运算放大器的输出端Vout。
本发明的前述实施例中，校准电容CC的电容值可以是采样电容CS或者反馈电容Cf的电容值的一半。
本发明的一个实施例中，使用前述的流水线模数转换器校准电容失配误差的方法可以包括下列步骤。
首先，可以通过切换开关元件（即通过控制第1级模数转换器10中的各个开关元件的断开和闭合）将前述的至少第1级模数转换器10切换至采样相，即，使校准电容CC、采样电容CS和反馈电容Cf并联，并且一端接地，另一端连接到运算放大器的反相输入端，如图3所示。这个状态称之为“采样相”。
即，本发明的实施例中，采样相为：校准电容CC、采样电容CS和反馈电容Cf并联，并且一端接地，另一端连接到运算放大器的反相输入端。
然后，通过切换开关元件（即通过控制该至少第1级模数转换器10中的各个开关元件的断开和闭合），可以使该至少第1级模数转换器10从采样相切换到第一保持相，即，使校准电容CC一端连接到第二参考电压-Vref，另一端连接到运算放大器的反相输入端，使采样电容CS的一端连接到第一参考电压+Vref，另一端连接到运算放大器的反相输入端，并且反馈电容Cf的一端连接到运算放大器的反相输入端，另一端连接到运算放大器的输出端，如图4所示。这个状态称之为“第一保持相”。此时，该至少第1级模数转换器10产生第一模拟残差信号，该第一模拟残差信号通过前述的至少两级模数转换器的转换输出第一数字码Dp1。该第一数字码Dp1中包含了流水线模数转换器的误差。
类似地，可以通过切换开关元件（即通过控制该至少第1级模数转换器10中的各个开关元件的断开和闭合）使该至少第1级模数转换器10从采样相切换到第二保持相，即，使校准电容CC一端连接到第一参考电压+Vref，另一端连接到运算放大器的反相输入端，使采样电容CS的一端连接到第二参考电压-Vref，另一端连接到运算放大器的反相输入端，并且反馈电容Cf的一端连接到运算放大器的反相输入端，另一端连接到运算放大器的输出端，如图5所示。这个状态称之为“第二保持相”。此时，该至少第1级模数转换器10产生第二模拟残差信号，该第二模拟残差信号通过前述的至少两级模数转换器的转换输出第二数字码Dp2。该第二数字码Dp2中包含了流水线模数转换器的误差。
类似地，可以通过切换开关元件（即通过控制该至少第1级模数转换器10中的各个开关元件的断开和闭合）使该至少第1级模数转换器10从采样相切换到第三保持相，即，使校准电容CC一端连接到第一参考电压+Vref，另一端连接到运算放大器的反相输入端，使采样电容CS的一端连接到接地端，另一端连接到运算放大器的反相输入端，并且使反馈电容Cf的一端连接到运算放大器的反相输入端，另一端连接到运算放大器的输出端，如图6所示。这个状态称之为“第三保持相”。此时，该至少第1级模数转换器10产生第三模拟残差信号，该第三模拟残差信号通过前述的至少两级模数转换器的转换输出第三数字码Dp3。该第三数字码Dp3中包含了流水线模数转换器的误差。
类似地，可以通过切换开关元件（即通过控制该至少第1级模数转换器10中的各个开关元件的断开和闭合）使该至少第1级模数转换器10从采样相切换到第四保持相，即，使校准电容CC一端连接到第二参考电压-Vref，另一端连接到运算放大器的反相输入端，使采样电容CS的一端连接到接地端，另一端连接到运算放大器的反相输入端，并且使反馈电容Cf的一端连接到运算放大器的反相输入端，另一端连接到运算放大器的输出端，如图7所示。这个状态称之为“第四保持相”。此时，该至少第1级模数转换器10产生第四模拟残差信号，该第四模拟残差信号通过前述的至少两级模数转换器的转换输出第四数字码Dp4。该第四数字码Dp4中包含了流水线模数转换器的误差。
然后，前台数字校准计算及校准电路30接收该第一数字码Dp1、第二数字码Dp2、第三数字码Dp3和第四数字码Dp4，并根据这些数字码获得流水线模数转换器的误差校准码。
当流水线模数转换器正常工作时，前台数字校准计算及校准电路30即可以用该误差校准码校准流水线模数转换器转换输出的数据。
下面简要说明本发明实施例中的流水线模数转换器及前述的方法的原理。
对于流水线模数转换器而言，其单级MDAC结构总的确定性误差包括：采样电容与反馈电容失配误差、运放失调误差、参考电压误差、运放有限开环增益及有限单位增益带宽造成的误差等等。本本发明的实施例汇总，对于1.5bit的MDAC结构可以校准的误差为部分电容误差、全部运放失调误差及部分子数模转换器参考电压误差，见式（1）。
式（1）中D在不同的输入的时候分别为-1、0、+1，所以其在1.5bit的MDAC结构中对应的校准码分为Code00、Code01、Code10，如图8所示。
本发明的实施例中，如前文所示，在4个特定的校准误差提取周期中提取了四个模拟残差信号，该四个模拟残差信号经过后级无校准电路的模数转换器得到包含采样电容误差、校准电容误差、运放失调误差、子数模转换器参考电压误差的四个数字码（Dp1、Dp2、Dp3、Dp4），分别存在到前台数字校准计算及校准电路30中的寄存器中，并且在其中进行运算，该数字运算可以只包含数字域上的加减法，所需要的硬件较少。一个实施例中，1.5bit校准码Code00、Code01、Code10分别计算如下：
式（2）为实例1.5bit校准码算法，其对应校准式（1）中D分别为-1、0、+1时的误差。
本发明的实施例中，利用在误差校准级（例如，第1级模数转换器）添加校准电容Cc的方法，通过后级无校准电路的模数转换器及前台数字校准计算及校准电路实现对部分电容误差、全部运放失调电压误差、部分子数模转换器参考电压误差的校准，在实例的1.5bit结构中，通过给不同的段加上相应的校准码，实现误差的校准；在传输曲线的直观表现为误差的搬移，图9及图10分别为存在正的采样电容失配及正的运放失调电压的情况下校准前后的示意图，图中的黑色虚线为理想的传输曲线，实线为校准前后实际的传输曲线示意图。
图11及图12分别为实例的14bit流水线模数转换器存在较大采样电容失配校准前后的静态特性参数DNL、INL的Simulink模型仿真图。可见该对静态特性有非常大的提升。
本发明的实施例中，能够校准部分电容误差、全部运放失调电压误差、部分子数模转换器参考电压误差，需要的添加的额外元件少，数字域只需要进行加减的运算，大大简化了电路的设计。
综上所述，本发明的实施例中，提供了一种应用于流水线模数转换器的前台数字校准算法，在经典流水线模数转换器结构的基础上，在需要校准误差的级添加级校准添加电路，在冗余位数字校正电路输出之后添加前台数字校准计算及校准电路，组成了本发明的前台校准算法电路结构。在校准工作期间所有模块全部工作，通过对需要校准误差级的级校准添加电路和采样电容给定4种特定输入，进而通过前台数字校准计算及校准电路提取出校准级电容失配误差、运放失调误差及子数模转换器参考电压误差。在正常工作期间，级校准添加电路不工作，前台数字校准计算及校准电路工作。该前台数字校准算法结构简单、添加极少的额外元件、时序控制简单、寄存器个数少，同时，只通过加减法实现数字域计算与校准，大大减小了数字电路设计的难度与周期。该前台数字校准算法对流水线模数转换器的静态特性校准效果明显，对动态特性有一定的校准效果。
以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。此外，以上多处所述的“一个实施例”表示不同的实施例，当然也可以将其全部或部分结合在一个实施例中。
Claims (9)
1.一种流水线模数转换器，其特征在于：包括至少两级模数转换器和前台数字校准计算及校准电路（30），其中：
至少第1级模数转换器（10）包括校准电路（102）和MDAC电路（100），所述校准电路（102）包括校准电容（CC），所述校准电容（CC）一端连接到所述MDAC电路（100），另一端分别通过开关元件连接到第一参考电压（+Vref）、第二参考电压（-Vref）和接地端；
所述前台数字校准计算及校准电路（30）连接到所述至少两级模数转换器；
其中包括所述校准电路（102）的所述至少第1级模数转换器（10）通过所述校准电路（20）和所述MDAC电路（100）产生包含误差的模拟残差信号，并且所述至少两级模数转换器将所述模拟残差信号转换为数字码；
所述前台数字校准计算及校准电路（30）接收所述数字码、根据所述数字码获得所述流水线模数转换器的误差校准码、并且当所述流水线模数转换器正常工作时用所述误差校准码校准所述流水线模数转换器转换输出的数据；
所述MDAC电路（100）包括运算放大器、采样电容（CS）和反馈电容（Cf），所述采样电容（CS）的一端分别通过开关元件连接到所述流水线模数转换器的信号输入端（Vin）、第一参考电压（+Vref）、第二参考电压（-Vref）和接地端，另一端连接到所述运算放大器的反相输入端并通过开关元件接地，所述校准电容（CC）的所述一端连接到所述运算放大器的反相输入端。
2.如权利要求1所述的流水线模数转换器，其特征在于：所述反馈电容（Cf）的一端连接到所述运算放大器的反相输入端，另一端分别通过开关元件连接到所述流水线模数转换器的信号输入端（Vin）和所述运算放大器的输出端（Vout）。
3.如权利要求1所述的流水线模数转换器，其特征在于：所述校准电容（CC）的电容值为所述采样电容（CS）或者所述反馈电容（Cf）的电容值的一半。
4.一种使用如权利要求1至3中任意一项所述的流水线模数转换器校准误差的方法，其特征在于，包括：
将所述至少第1级模数转换器（10）切换至采样相；
将所述至少第1级模数转换器（10）从所述采样相切换到第一保持相，产生第一模拟残差信号，并通过所述至少两级模数转换器转换所述第一模拟残差信号获得第一数字码；
将所述至少第1级模数转换器（10）从所述采样相切换到第二保持相，产生第二模拟残差信号，并通过所述至少两级模数转换器转换所述第二模拟残差信号获得第二数字码；
将所述至少第1级模数转换器（10）从所述采样相切换到第三保持相，产生第三模拟残差信号，并通过所述至少两级模数转换器转换所述第三模拟残差信号获得第三数字码；
将所述至少第1级模数转换器（10）从所述采样相切换到第四保持相，产生第四模拟残差信号，并通过所述至少两级模数转换器转换所述第四模拟残差信号获得第四数字码；
根据所述第一数字码、第二数字码、第三数字码和第二数字码获得所述流水线模数转换器的误差校准码；
当所述流水线模数转换器正常工作时，用所述误差校准码校准所述流水线模数转换器转换输出的数据。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述采样相为：所述校准电容（CC）、所述采样电容（CS）和所述反馈电容（Cf）并联，并且一端接地，另一端连接到所述运算放大器的反相输入端。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一保持相为：所述校准电容（CC）一端连接到所述第二参考电压（-Vref），另一端连接到所述运算放大器的反相输入端，所述采样电容（CS）的一端连接到所述第一参考电压（+Vref），另一端连接到所述运算放大器的反相输入端，并且所述反馈电容（Cf）的一端连接到所述运算放大器的反相输入端，另一端连接到所述运算放大器的输出端。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第二保持相为：所述校准电容（CC）一端连接到所述第一参考电压（+Vref），另一端连接到所述运算放大器的反相输入端，所述采样电容（CS）的一端连接到所述第二参考电压（-Vref），另一端连接到所述运算放大器的反相输入端，并且所述反馈电容（Cf）的一端连接到所述运算放大器的反相输入端，另一端连接到所述运算放大器的输出端。
8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第三保持相为：所述校准电容（CC）一端连接到所述第一参考电压（+Vref），另一端连接到所述运算放大器的反相输入端，所述采样电容（CS）的一端连接到所述接地端，另一端连接到所述运算放大器的反相输入端，并且所述反馈电容（Cf）的一端连接到所述运算放大器的反相输入端，另一端连接到所述运算放大器的输出端。
9.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第四保持相为：所述校准电容（CC）一端连接到所述第二参考电压（-Vref），另一端连接到所述运算放大器的反相输入端，所述采样电容（CS）的一端连接到所述接地端，另一端连接到所述运算放大器的反相输入端，并且所述反馈电容（Cf）的一端连接到所述运算放大器的反相输入端，另一端连接到所述运算放大器的输出端。
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