CN112511169B - 基于Sigma-Delta调制器的流水线ADC动态补偿系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于Sigma‑Delta调制器的对流水线ADC比较器失调和电容失配误差进行动态补偿的系统及方法，包括Sigma‑Delta调制器模块、译码器模块、开关阵列模块。本发明可以抑制由于比较器失调和电容失配产生的谐波失真，从而有效提升流水线ADC的动态性能。本发明提供的方法可移植性强，适用范围广，硬件复杂度低。可用于任意比特数/每流水级及任意流水级数的流水线ADC。

Description

基于Sigma-Delta调制器的流水线ADC动态补偿系统及方法
技术领域
本发明属于模拟数字转换技术领域，具体涉及一种基于Sigma-Delta调制器的对流水线 ADC比较器失调和电容失配误差进行动态补偿的系统及方法。
背景技术
模数转换器(简称ADC)是一种将模拟信号转变成数字信号的电子器件。ADC的工作过程大致可分为采样、保持、量化和编码4个步骤。ADC最核心的两个指标为转换速度和转换精度。
流水线ADC在雷达、医疗器械、通信设备等领域得到大量的应用，但是由于速度和精度的原因限制了整个系统的性能，主要原因在于比较器的失调、电容的失配、运放的有限增益和带宽、运放的非线性等非理想因素。为了提高流水线ADC的速度和精度，目前常用的补偿校准方法有前台校准方法和后台校准方法，前台校准方法主要有电容误差平均校准方法、修调电容校准方法；后台校准方法有码域均衡校准方法、PN注入校准方法等。
1993年，Riley等人在论文《Delta-Sigma Modulation in Fractional-NFrequency Synthesis》中将Sigma-Delta调制技术引入到小数分频频率综合器中，这一技术成功解决了小数杂散等问题，在以后的频率综合器设计中得到了广泛应用。本发明将Sigma-Delta调制技术引入到流水线ADC中，用于抑制由于比较器失调和电容失配产生的谐波失真。
发明内容
为了解决流水线ADC中比较器失调和电容失配的问题，本发明提供一种基于Sigma-Delta 调制器的对流水线ADC比较器失调和电容失配误差进行动态补偿的系统及方法。
为了实现上述目标，本发明提供如下技术方案：
用于对流水线ADC比较器失调和电容失配误差进行动态补偿的系统，包括Sigma-Delta 调制器模块、译码器模块、开关阵列模块；
所述Sigma-Delta调制器模块输入端为一固定序列，输出端连接于译码器模块，用于产生随机序列并传递给译码器模块；所述译码器模块输出端连接于开关阵列模块，用于将 Sigma-Delta调制器模块产生的随机序列进行译码，并对开关阵列的开合进行控制；所述开关阵列模块的输入端连接于流水线ADC的参考电压，输出端连接于流水线ADC的比较器，用于实现部分的动态元件匹配。
进一步的，所述Sigma-Delta调制器模块是N阶MASH SDM结构，该结构由N个一阶调制器和噪声整形电路构成。
调制器之间的连接方式即为第二级调制器的输入来自第一级调制器进位溢出后量化误差的负值，同理第三级调制器的输入来自第二级调制器的量化误差的负值，以此类推，即只有第一级调制器的输入为固定输入，且该固定输入为奇数初始条件。
进一步的，所述译码器模块将N位序列译码成2N组控制信号，其中每组控制信号互为相反。
进一步的，所述开关阵列模块分为互为相反的两部分，输出共有2N种不同的方式，这2N种方式根据译码结果进行选择。
用于对流水线ADC比较器失调和电容失配误差进行动态补偿的方法，其工作过程如下：
由Sigma-Delta调制的sub-ADC电路对前级输出的信号(若为第一流水级，则为输入信号) 进行采样并进行量化；由MDAC电路中的采样开关对前级输出的信号(若为第一流水级，则为输入信号)进行采样。sub-ADC电路中的比较器的参考电压受Sigma-Delta调制器产生的随机序列控制，因此该sub-ADC电路输出的温度计码具有随机性质，随机性质的温度计码经 MDAC电路转换得到模拟信号，并经过MDAC的余差放大输出得到该流水级电路的输出。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、通过Sigma-Delta调制器的量化噪声整形技术，将噪声搬移到高频处，从而有效提高对比较器失调和电容失配产生的谐波失真的抑制效果。
2、通过引入Sigma-Delta调制器奇数初始条件，即令调制器的初始值经过2N归一化后为某个无理数，增大Sigma-Delta调制器输出序列的周期，进一步提高序列的随机性，从而有效提高对比较器失调和电容失配的动态补偿效果。
3、适用范围广，适用于任意比特数/每流水级及任意流水级数的流水线ADC。动态补偿方法的原理简单，易于实现，降低了电路设计的复杂度和硬件消耗。
附图说明
图1为本发明的用于对流水线ADC比较器失调和电容失配误差进行动态补偿的实施例框图；
图2为本发明实施例中Sigma-Delta调制器的示意图；
图3为本发明实施例中Sigma-Delta调制器的输出序列波形图；
图4为本发明实施例中译码器的示意图；
图5为本发明实施例中开关阵列的示意图；
图6为本发明实施例动态补偿前后的输出信号频谱图，其中(a)为补偿前，(b)为补偿后。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
图1为本发明的用于对流水线ADC比较器失调和电容失配误差进行动态补偿的实施例框图。包括sub-ADC模块101、MDAC模块102、Sigma-Delta调制器模块103、译码器模块104、开关阵列模块105。其中Sigma-Delta调制器模块103用于产生随机序列并传递给译码器模块 104，译码器模块104用于将Sigma-Delta调制器模块103产生的随机序列进行译码，并提供给sub-ADC模块101，以对sub-ADC模块101中比较器基准电压输入端对应开关阵列105的开合进行控制，MDAC模块102用于将本流水级的余差信号进行放大，从而得到该流水级的输出信号。
图2为本发明实施例中Sigma-Delta调制器103的示意图。该Sigma-Delta调制器模块103 包括四个一阶调制器(分别为201、202、203、204)和噪声整形电路205。调制器之间的连接方式即为第二级调制器202的输入来自第一级调制器201进位溢出后量化误差E1[n]的负值，同理第三级调制器203的输入来自第二级调制器202的量化误差E2[n]的负值，以此类推，即只有第一级调制器201的输入为固定输入，且该固定输入为奇数初始条件。该Sigma-Delta 调制器模块103输出序列变化范围为[-7,+8]，波形如图3所示。
图4为本发明实施例中译码器模块104的示意图。该译码器模块104对Sigma-Delta调制器模块103输出的4位序列A0、A1、A2、A3进行译码，并输出16组控制信号D0_P、D0_N、D1_P、D1_N……Df_P、Df_N，其中DX_P与DX_N(X＝0、1、2……f)互为相反。
图5为本发明实施例中开关阵列105的示意图。该开关阵列105分为P端与N端两部分，输出共有16种不同的方式，分别对应不同的形式301、302…316，这16种方式是根据译码器模块104的译码结果进行选择的。
该实施例工作过程如下：
由Sigma-Delta调制器103调制的sub-ADC模块101对前级输出的信号(若为第一流水级，则为输入信号)进行采样并进行量化；由MDAC模块102中的采样开关对前级输出的信号(若为第一流水级，则为输入信号)进行采样，sub-ADC模块101中的比较器的参考电压受Sigma-Delta调制器模块103产生的随机序列控制，因此该sub-ADC模块101输出的温度计码具有随机性质，随机性质的温度计码经MDAC模块102转换得到模拟信号，并经过MDAC 模块102的余差放大输出得到该流水级电路的输出。
由上述实施例可见，由于选通电路的控制信号为Sigma-Delta调制器模块103产生的随机序列，所以参考电压间的大小具有随机性质，从而使sub-ADC模块101中的比较器间不再有高低位之分，对输入信号进行量化的比较器顺序随机化，从而使所有的比较器失调平均化，即有效地消除了某个比较器的失调误差对sub-ADC模块101的固有影响。由于sub-ADC模块101中的比较器输出的温度计码具有随机性质，从而使采样电容的位置被随机化，从而使所有的电容失配误差平均化，即有效地消除了某个电容的失配误差对MDAC模块102的固有影响。
图6是当存在千分之一的失配误差时，流水线ADC在动态补偿前后数字输出信号的频谱图，图6(a)是动态补偿前的频谱图，从图中可以看出由于失配误差，产生了很大的谐波失真，严重影响了流水线ADC动态性能。图6(b)是动态补偿后的频谱图，对比图6(a)和图6(b) 可以看出，使用本发明的一种基于Sigma-Delta调制器的流水线ADC动态补偿方法可以抑制由于失配误差产生的谐波失真，SFDR提高了约9dB，流水线ADC的动态性能得到了明显的提升。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于Sigma-Delta调制器的流水线ADC动态补偿系统，其特征在于：包括Sigma-Delta调制器模块、译码器模块、开关阵列模块；
所述Sigma-Delta调制器模块输入端为一固定序列，输出端连接于译码器模块，用于产生随机序列并传递给译码器模块；
所述译码器模块输出端连接于开关阵列模块，用于将Sigma-Delta调制器模块产生的随机序列进行译码，并对开关阵列的开合进行控制；
所述开关阵列模块的输入端连接于流水线ADC的参考电压，输出端连接于流水线ADC的比较器，用于实现部分的动态元件匹配；
所述Sigma-Delta调制器模块是高阶MASH SDM结构，该结构由若干个一阶调制器和噪声整形电路构成；
调制器之间的连接方式即为第二级调制器的输入来自第一级调制器进位溢出后量化误差的负值，同理第三级调制器的输入来自第二级调制器的量化误差的负值，以此类推，即只有第一级调制器的输入为固定输入；
基于Sigma-Delta调制器的流水线ADC动态补偿方法，包括如下步骤：
由Sigma-Delta调制器调制的sub-ADC电路对前级输出的信号进行采样并进行量化，若为第一流水级，则为输入信号；由MDAC电路中的采样开关对前级输出的信号进行采样，若为第一流水级，则为输入信号；sub-ADC电路中的比较器的参考电压受Sigma-Delta调制器产生的随机序列控制，因此该sub-ADC电路输出的温度计码具有随机性质，随机性质的温度计码经MDAC电路转换得到模拟信号，并经过MDAC的余差放大输出得到该流水级电路的输出。
2.根据权利要求1所述的流水线ADC动态补偿系统，其特征在于：所述译码器模块将N位序列译码成2N组控制信号，其中每组控制信号互为相反。
3.根据权利要求1所述的流水线ADC动态补偿系统，其特征在于：所述开关阵列模块分为互为相反的两部分，输出共有2N种不同的方式，这2N种方式根据译码结果进行选择。
4.根据权利要求1所述的流水线ADC动态补偿系统，其特征在于：所述Sigma-Delta调制器为奇数初始条件，即令调制器的初始值经过2N归一化后为某个无理数。
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