CN106656180A - 一种应用于无采保模数转换器的输入回踢非线性的校准电路及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于无采保模数转换器的输入回踢非线性的校准电路及校准方法，该校准电路主要包括运算放大器、后级模数转换器、伪随机数发生器、子级模数转换器、回踢非线性参数估算模块以及校准模块，通过这些模块的协同后台工作，可在数字域实现输入信号回踢非线性误差的校准，电路结构简单，对模拟电路改动很小，显著改善无采样保持时模数转换器的动态性能，提高其信噪失真比。该校准方法主要校准无采样保持电路时引入的输入信号回踢非线性误差。

Description

一种应用于无采保模数转换器的输入回踢非线性的校准电路 及校准方法

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种应用于无采保模数转换器的输入回踢非线性的校准电路及校准方法。

背景技术

随着半导体技术的迅速发展，高速高精度模数转换器已广泛应用于数字通讯、军事雷达等领域。流水线模数转换器作为目前主流的ADC产品之一，能够很好的兼顾速度与精度的要求。在流水线模数转换器中，采样保持电路消耗了大量的功耗，同时带来很多噪声和非线性，因此无采保流水线型模数转换器逐渐成为主流。

无采保的流水线型模数转换器在采样相时，电容上的残留上一次输入信号的量化值，该量化值对输入信号有回踢效应，严重影响输入信号采样线性度。回踢非线性度的大小与采样网络的带宽，采样时钟周期和第一级量化精度有关。传统的消除回踢非线性方法是在采样前，设置一个复位相将上次量化值复位，从而彻底消除回踢非线性，但该复位相消耗了一定的功耗，且占用了采样相位的时间，不适合高速高精度的应用。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术的不足，本发明提出一种应用于无采保模数转换器的输入回踢非线性的校准电路及校准方法，避免使用多余复位相来消除量化残余电荷，适合高速高精度的应用，且校准算法是基于相关的后台算法，在数字域进行误差评估和消除，对模拟电路改动很小，不打断模数转换器的正常工作。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种应用于无采保模数转换器的输入回踢非线性的校准电路，包括余量放大器、后级模数转换器、子模数转换器、非线性误差估算模块、校准模块、伪随机数发生器、子数模转换器、第一电容、第二到第N+2电容、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七到第N+7开关；其中：

所述余量放大器的反相端通过第三开关连接到余量放大器的同相端，余量放大器的反相端连接到第一电容和第二到第N+2电容的右极板，余量放大器的同相端接地，余量放大器的输出通过第二开关连接第一电容的左极板、同时接到后级模数转换器的输入端；

所述后级模数转换器的输入通过第二开关连接第一电容的左极板，后级模数转换器的输出连接非线性误差估算模块和校准模块；

所述子模数转换器的输入通过第六开关接输入信号Vin，子模数转换器的输出连接到校准模块和子数模转换器；

所述伪随机数发生器的输出通过第四开关连接到第二到第N+2电容中的某一个电容Csi的左极板，伪随机数发生器的输出连接校准模块的一个输入，伪随机数发生器的输出连接非线性误差估算模块的一个输入；

所述子数模转换器的输入连接到子模数转换器的输出，子数模转换器的输出通过第五开关连接到第二到第N+2电容中除Csi以外的电容左极板；

所述非线性误差估算模块的输入接后级模数转换器的输出，非线性误差估算模块的输入接伪随机数发生器的输出，非线性误差估算模块的输出接校准模块的一个输入；

所述校准模块的一个输入接后级模数转换器的输出，校准模块的一个输入接非线性误差估算模块的输出，校准模块的一个输入接子模数转换器的输出，校准模块的一个输入接伪随机数发生器的输出，校准模块的输出为整个模数转换器的输出；

所述第一电容的左极板通过第一开关连接到输入信号Vin，第二到第N+2电容的左极板通过第七到第N+7开关连接到输入信号Vin，第二到第N+2电容中的某一个电容Csi的左极板通过第四开关连接到伪随机数发生器的输出，第N+2电容中的除电容Csi以外的电容左极板通过第五开关连接到子模数转换器的输出；

所述第一开关的A端连接第一电容的左极板和第二开关的A端，第一开关的B端连接输入信号；

所述第二开关的A端连接第一电容的左极板和第一开关的A端，第二开关的B端连接余量放大器的输出和后级模数转换器的输入；

所述第三开关的A端连接余量放大器的同相输入端，B端连接余量放大器的反相输入端；

所述第四开关的A端连接第二到第N+2电容中的某一个电容Csi的左极板，第四开关的B端连接到伪随机数发生器的输出；

所述第五开关的A端连接到第二到第N+2电容中除Csi以外的电容左极板，第五开关的B端连接到子数模转换器的输出；

所述第六开关的A端连接到后级模数转换器的输入，第五开关的B端连接到输入信号Vin；

所述第七到第N+7开关的A端分别连接第二到第N+2电容的左极板，第七到第N+7开关的B端连接到输入信号Vin。

一种应用于无采保模数转换器的输入回踢非线性的校准电路的校准方法，包括如下具体步骤：

步骤1：当时钟为高时，第一开关、第七到第N+7开关、第六开关和第三开关同时导通，输入信号以及回踢非线性分量被采样到第一电容、第二到第N+2电容以及子模数转换器上；

步骤2：当时钟为高时，第N+2电容中的某一个电容Csi的左极板连接到伪随机数发生器，实现伪随机数信号注入；电容Csi可以任意选择Cs1到CsN中的一个，除Csi外的其它电容左极板连接到子数模转换器的输出，子数模转换器的输入为子模数转换器的输出，第一电容连接到余量放大器的输出，形成负反馈，余量放大器的输出Vres带有回踢非线性误差以及注入的伪随机数分量。

步骤3：余量放大器的输出Vres经过后级模数转换器量化，得到数字值Dres，该值含有回踢非线性分量，通过与伪随机数作相关运算得到回踢非线性参数k，校准模块将Dres中注入的伪随机分量和回踢非线性分量去除得到正确的数字编码并与子模数转换器的输出相加得到整个模数转换器的输出。

本发明的有益效果：回踢非线性校准算法和校准电路应用于无采保的流水线型模数转换器中，通过注入伪随机数提取回踢非线性系数，并在数字域消除回踢非线性误差，得到正确的数字编码。并且在原有的电路基础上只是将一个采样电容分裂成N个，并不影响模拟电路工作速度。本发明校准电路增加伪随机数发生器、误差估算模块和校准模块，但这些模块都在数字域实现，随着集成电路工艺的进步，增加的数字开销越来越小，数字校准在后台工作不会打断模数转换器的工作。相比于传统的增加复位相技术，本发明降低整体电路功耗提高采样线性度的同时，不影响转换速度。

附图说明

图1为无采保流水线型模数转换器前端以及校准方法；

图2为回踢非线性系数k的仿真收敛曲线；

图3为回踢非线性校准前后的模数转换器的动态性能；

图4为采用本发明的校准算法后模数转换器输出的动态性能。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

一种应用于无采保模数转换器的输入回踢非线性校准电路及校准方法，包括余量放大器100、后级模数转换器101、子模数转换器102、非线性误差估算模块200、校准模块201、伪随机数发生器103、子数模转换器104、第一电容Cf、第二到第N+2电容(Cs1到CsN)、第一开关Sf1、第二开关Sf2、第三开关S1p、第四开关Spn、第五开关Sdac、第六开关Sadc、第七到第N+7开关(S1到Sn)。

其中：余量放大器100的反相端通过第三开关S1p连接到余量放大器100的同相端，余量放大器100的反相端连接到第一电容Cf和第二到第N+2电容(Cs1到CsN)的右极板，余量放大器100的同相端接地，余量放大器100的输出通过第二开关Sf2连接第一电容Cf的左极板、同时接到后级模数转换器101的输入端，从而余量放大器的输出给后级模数转换器进行量化；后级模数转换器101的输入通过第二开关Sf2连接第一电容Cf的左极板，后级模数转换器101的输出连接非线性误差估算模块200和校准模块201，其输出包含回踢非线性误差和注入的伪随机分量，误差估算模块计算误差系数，校准模块消除回踢非线性误差；所述子模数转换器102的输入通过第六开关Sadc接输入信号Vin，子模数转换器102的输出连接到校准模块201和子数模转换器104，进行第一级信号量化，其输出参与最终编码；伪随机数发生器103的输出通过第四开关Spn连接到第二到第N+2电容(Cs1到CsN)中的某一个电容Csi，从而实现伪随机数的注入，伪随机数发生器103的输出连接校准模块201的一个输入，在最终的数字输出中去掉注入的伪随机数，伪随机数发生器103的输出连接非线性误差估算模块200的一个输入，对数字量Dres进行相关运算；子数模转换器104的输入连接到子模数转换器102的输出，子数模转换器104的输出通过第五开关Sdac连接到第二到第N+2电容(Cs1到CsN)中除Csi以外的电容左极板；校准模块201的一个输入接后级模数转换器101的输出，校准模块201的一个输入接非线性误差估算模块200的输出，校准模块201的一个输入接子模数转换器102的输出，校准模块201的一个输入接伪随机数发生器103的输出，校准模块201的输出为整个模数转换器的输出；第一电容Cf的左极板通过第一开关Sf1连接到输入信号Vin，第二到第N+2电容(Cs1到CsN)的左极板通过第七到第N+7开关(S1到Sn)连接到输入信号Vin，第二到第N+2电容(Cs1到CsN)中的某一个电容Csi的左极板通过第四开关Spn连接到伪随机数发生器103的输出，第N+2电容(Cs1到CsN)中的除电容Csi以外的电容左极板通过第五开关Sdac连接到子模数转换器102的输出。

回踢非线性校准工作在后台，不影响模数转换器的正常工作。模数转换器的参考电压归一化为±1，即输入信号范围在-1到1之间，子数模转换器104的输出有三个值1、0和-1，以方便解释本发明的工作过程。采样电容Cs被分裂成N个相等的电容Cs1到CsN，其中任意一个电容Csi实现伪随机数注入。假设模数转换器处于第n-1个时钟相位，在时钟相位为高时，余量放大器100工作在放大状态，电容Cs1到CsN中的除了Csi外的所有电容左极板接到子模数转换器102的输出D1(n-1)，而该值为本级子模数转换器102对输入信号Vin(n-1)的粗量化值，电容Csi接到伪随机数发生器103的输出PN(n-1)，实现伪随机数的注入，伪随机数发生器的输出为1或者-1，且1和-1出现的概率相等。当第n个时钟周期到来，处于为高时，输入信号同时连接到电容Cf和Cs1到CsN上进行采样，除了Csi外的电容Cs1到CsN上残留的D1(n-1)会同时进行放电，但由于采样网络有限的带宽以及有限的时钟周期，采样结束时，D1(n-1)仍然残留部分电压与Vin(n)叠加，假设残留的电压为k*D1(n-1)*Vref，式中Vref为基准电压，k为回踢非线性系数，由于Csi和其它电容处于同样的采样网络中，其带宽和时钟周期与其它电容一致，所以PN(n-1)也会残留k*PN(n-1)的电压，当第n个时钟周期的为高时，余量放大器的输出为：

公式(1)中含有k的分量为记忆效应，假设后级模数转换器101是理想的模数转换器则Dres＝Vres，非线性误差估算模块200利用伪随机数发生器的输出和Dres进行回踢非线性系数k的提取：

其中是相关运算符号，伪随机数±1的作相关运算的特点是自相关为1，而PN(n-1)是伪随机数，将Dres中的其它分量相关为噪声，非线性误差估算模块200进行P-1次相关运算并求得平均值，如果P足够大，那么公式(2)接近k,相关次数越多k的值越准，但是数字电路开销也越大。

校准模块201利用非线性误差估算模块200得到的k值、D1(n)、D1(n-1)和伪随机数发生器103的输出计算出最终的输出Dout:

校准模块201不仅消除了回踢非线性分量，且消除了伪随机数注入分量。该算法也可以扩展到包含任意位数的第一级流水线型模数转换器中，本发明以1.5位第一级为例说明，采样电容的分裂个数N是一个折中选择量，N越大注入的伪随机分量在余量输出中越小，数字算法收敛越慢，N越小伪随机分量越大，但是占用的冗余输出越大，越容易溢出。

假设模数转换器整体位数为15位，回踢非线性系数k为0.01时，图2是该校准算法在matlab软件中的仿真曲线，回踢非线性系数k很快收敛到0.01。图3为存在回踢非线性时模数转换器的输出动态性能，0.01的回踢非线性系数使得模数转换器的输出动态性能大大降低，图4为采用本发明的校准算法后模数转换器输出的动态性能，校准后动态性能接近理想的15位转换器，校准算法有效消除回踢非线性误差。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (2)

1.一种应用于无采保模数转换器的输入回踢非线性的校准电路，其特征在于：包括余量放大器(100)、后级模数转换器(101)、子模数转换器(102)、非线性误差估算模块(200)、校准模块(201)、伪随机数发生器(103)、子数模转换器(104)、第一电容(Cf)、第二到第N+2电容(Cs1到CsN)、第一开关(Sf1)、第二开关(Sf2)、第三开关(S1p)、第四开关(Spn)、第五开关(Sdac)、第六开关(Sadc)、第七到第N+7开关(S1到Sn)；其中：

所述余量放大器(100)的反相端通过第三开关(S1p)连接到余量放大器(100)的同相端，余量放大器(100)的反相端连接到第一电容(Cf)和第二到第N+2电容(Cs1到CsN)的右极板，余量放大器(100)的同相端接地，余量放大器(100)的输出通过第二开关(Sf2)连接第一电容(Cf)的左极板、同时接到后级模数转换器(101)的输入端；

所述后级模数转换器(101)的输入通过第二开关(Sf2)连接第一电容(Cf)的左极板，后级模数转换器(101)的输出连接非线性误差估算模块(200)和校准模块(201)；

所述子模数转换器(102)的输入通过第六开关(Sadc)接输入信号Vin，子模数转换器(102)的输出连接到校准模块(201)和子数模转换器(104)；

所述伪随机数发生器(103)的输出通过第四开关(Spn)连接到第二到第N+2电容(Cs1到CsN)中的某一个电容Csi的左极板，伪随机数发生器(103)的输出连接校准模块(201)的一个输入，伪随机数发生器(103)的输出连接非线性误差估算模块(200)的一个输入；

所述子数模转换器(104)的输入连接到子模数转换器(102)的输出，子数模转换器(104)的输出通过第五开关(Sdac)连接到第二到第N+2电容(Cs1到CsN)中除电容Csi以外的电容左极板；

所述非线性误差估算模块(200)的输入接后级模数转换器(101)的输出，非线性误差估算模块(200)的输入接伪随机数发生器(103)的输出，非线性误差估算模块(200)的输出接校准模块(201)的一个输入；

所述校准模块(201)的一个输入接后级模数转换器(101)的输出，校准模块(201)的一个输入接非线性误差估算模块(200)的输出，校准模块(201)的一个输入接子模数转换器(102)的输出，校准模块(201)的一个输入接伪随机数发生器(103)的输出，校准模块(201)的输出为整个模数转换器的输出；

所述第一电容(Cf)的左极板通过第一开关(Sf1)连接到输入信号Vin，第二到第N+2电容(Cs1到CsN)的左极板通过第七到第N+7开关(S1到Sn)连接到输入信号Vin，第二到第N+2电容(Cs1到CsN)中的某一个电容Csi的左极板通过第四开关(Spn)连接到伪随机数发生器(103)的输出，第N+2电容(Cs1到CsN)中的除电容Csi以外的电容左极板通过第五开关(Sdac)连接到子模数转换器(102)的输出；

所述第一开关(Sf1)的A端连接第一电容(Cf)的左极板和第二开关(Sf2)的A端，第一开关(Sf1)的B端连接输入信号；

所述第二开关(Sf2)的A端连接第一电容(Cf)的左极板和第一开关(Sf1)的A端，第二开关(Sf2)的B端连接余量放大器(100)的输出和后级模数转换器(101)的输入；

所述第三开关(S1p)的A端连接余量放大器(100)的同相输入端，B端连接余量放大器(100)的反相输入端；

所述第四开关(Spn)的A端连接第二到第N+2电容(Cs1到CsN)中的某一个电容Csi的左极板，第四开关(Spn)的B端连接到伪随机数发生器(103)的输出；

所述第五开关(Sdac)的A端连接到第二到第N+2电容(Cs1到CsN)中除Csi以外的电容左极板，第五开关(Sdac)的B端连接到子数模转换器(104)的输出；

所述第六开关(Sadc)的A端连接到后级模数转换器(101)的输入，第五开关(Sdac)的B端连接到输入信号Vin；

所述第七到第N+7开关(S1到Sn)的A端分别连接第二到第N+2电容(Cs1到CsN)的左极板，第七到第N+7开关(S1到Sn)的B端连接到输入信号Vin。

2.一种基于权利要求1所述应用于无采保模数转换器的输入回踢非线性的校准电路的校准方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

步骤1：当时钟为高时，第一开关(Sf1)、第七到第N+7开关(S1到Sn)、第六开关(Sadc)和第三开关(S1p)同时导通，输入信号以及回踢非线性分量被采样到第一电容(Cf)、第二到第N+2电容(Cs1到CsN)以及子模数转换器(102)上；

步骤2：当时钟为高时，第N+2电容(Cs1到CsN)中的某一个电容Csi的左极板连接到伪随机数发生器(103)，实现伪随机数信号注入；电容Csi可以任意选择Cs1到CsN中的一个，除电容Csi外的其它电容左极板连接到子数模转换器(104)的输出，子数模转换器(104)的输入为子模数转换器(102)的输出，第一电容(Cf)连接到余量放大器(100)的输出，形成负反馈，余量放大器(100)的输出Vres带有回踢非线性误差以及注入的伪随机数分量；

步骤3：余量放大器(100)的输出Vres经过后级模数转换器(101)量化，得到数字值Dres，该值含有回踢非线性分量，通过与伪随机数作相关运算得到回踢非线性参数k，校准模块(201)将Dres中注入的伪随机分量和回踢非线性分量去除得到正确的数字编码并与子模数转换器(102)的输出相加得到整个模数转换器的输出。