CN112910462A - 一种基于亚稳态检测的pipeline-SAR ADC数字级间增益校准方法 - Google Patents

一种基于亚稳态检测的pipeline-SAR ADC数字级间增益校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于亚稳态检测的pipeline‑SAR ADC数字级间增益校准方法，所述校准方法包括：对模拟电路的逐级比较划分为N级，对第2～N级中的比较器依次作亚稳态检测，并将每级亚稳态指针输出到数字电路中；当数字校准电路接收到的指针为1时，累加当前数据，直到累加的数据个数达到上限时，则完成该级校准，将数据累加的和求平均后作为该级与前一级间的级间增益；重复上述步骤，得到每一级的级间增益，对每一级的级间增益进行处理得到数字校准电路的校准结果。本发明可以大大改善普通传统型SAR‑ADC因电容失配引入的误差；同时面积也比校正型的pipelineADC的面积更小，极大地提高了比较精度。

Description

一种基于亚稳态检测的pipeline-SAR ADC数字级间增益校准 方法
技术领域
本发明涉及数字信号处理技术领域，尤其涉及一种基于亚稳态检测的pipeline-SAR ADC数字级间增益校准方法。
背景技术
随着现代技术的不断发展，航空航天、汽车应用、无线电、图像采集、雷达通信等领域对模数转换器的速度和分辨率等要求不断提升。传统的模数转换器常常采用Pipeline-ADC和SAR-ADC两种结构，但不论是这两者中的哪一个，都有各自的缺点；其中，Pipeline-ADC结构应用时存在以下缺点：第一、Pipeline-ADC受电容失配的影响较大，这导致Pipeline-ADC分辨率受到很大的限制；第二，Pipeline-ADC需要配备误差修正模块，这会增加ADC的功耗和面积，限制其在工业控制等领域的应用。而SAR-ADC结构因为面积小的优势，应用更为广泛；但在应用时，因其内部比较器无法稳定采样而影响其输出精度。
目前，在逐次比较的SAR-ADC中，因为受工艺、电压及工作环境的影响，比较器工作不稳定，极易出现亚稳态输出，从而影响到了SAR-ADC每一级比较的结果，进而影响整体性能和稳定性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种基于亚稳态检测的pipeline-SAR ADC数字级间增益校准方法，解决了现有比较器比较过程中出现的问题。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于亚稳态检测的pipeline-SARADC数字级间增益校准方法，所述校准方法包括：
对模拟电路的逐级比较划分为N级，对第2-N～N级中的比较器依次作亚稳态检测，并将每级亚稳态指针输出到数字电路中；
当数字校准电路接收到的指针设定值时，累加当前数据，直到累加的数据个数达到上限时，则完成该级校准，将数据累加的和求平均后作为该级与前一级间的级间增益；
重复上述步骤，得到每一级的级间增益，对每一级的级间增益进行处理得到数字校准电路的校准结果。
进一步地，所述对每级的级间增益进行处理得到数字校准电路的校准结果包括：
对每一级作亚稳态统计，求得对应当级的增益值GN及其增益倒数rGN，得到每一级相对于第1级的增益GaN；
更新每一级的增益倒数rGa2～N(＝1/Ga2～N)后，在输出数据时将该增益值倒数rG2～N分别乘以对应级的数据D2～N，然后相加，同时直接加上第1级的数据，即为SAR-ADC的校正输出结果DOUT。
所述对每级的级间增益进行处理得到数字校准电路的校准结果包括：
所述的对模拟电路第2～N级校正是从最后一级(第N级)开始，逐级向前执行校正，直到完成第2级的校正，为一次校正循环。
所述对每级的级间增益进行处理得到数字校准电路的校准结果包括：
所述的对模拟电路第2～N级的校正，为了避免溢出，在待校正的每一级都增加了一个冗余位。
所述校准方法还包括比较器亚稳态判定步骤；所述比较器亚稳态判定步骤执行于所述对模拟电路的逐级比较划分为N级，对第2～N级中的比较器依次作亚稳态检测，并将每级亚稳态指针输出到数字电路中步骤之前。
所述比较器亚稳态判定步骤包括：
当数字校准电路接收到的指针为设定值包括当数字校准电路接收到的指针值为1时，表示比较器比较时间超时，此时判定比较器处于亚稳态，则此时执行所述对模拟电路的逐级比较划分为N级，对第2～N级中的比较器依次作亚稳态检测，并将每级亚稳态指针输出到数字电路中步骤，否则，不执行继续对比较器的亚稳态进行判定。
本发明具有以下优点：一种基于亚稳态检测的pipeline-SAR ADC数字级间增益校准方法，可以大大改善普通传统型SAR-ADC因电容失配引入的误差；同时面积也比校正型的pipelineADC的面积更小，极大地提高了比较精度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为实施例的结构示意图；
图3为不作校正的pipeSAR输出14bit数据FFT分析示意图；
图4为不作校正的pipeSAR输出14bit数据时域波形示意图；
图5为校正后的pipeSAR输出14bit数据FFT分析示意图；
图6为校正后的pipeSAR输出14bit数据时域波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，本发明涉及一种基于亚稳态检测的pipeline-SAR ADC数字级间增益校准方法，其具体包括以下内容：
在模拟电路中，将逐级比较划分为N级，对2～N级的亚稳态进行校正；首先对第N级(最后一级)中的比较器作亚稳态(该状态相当于在该级引入了一个固定的增益Gi)检测，将每级的亚稳态指针输出到数字电路；数字电路若接收到的指针为1(表示比较器比较时间较长，此时判定比较器处于亚稳态)，则累加当前数据，直到累加的数据个数(即同一级的亚稳态次数)达到设计的上限，即视为完成该级的校正，将数据累加的和求平均后，作为该级与前一级间的级间增益。如果指针不为1(为0时)，则表示此时比较器不处于亚稳态。
因为每次的亚稳态可能不同时存在于同一级，所以需要对每一级作亚稳态统计(暂定为M次)，求得对应当级的增益值GN及其增益倒数rGN；然后是第(N-1)级获得GN-1及rGN-1，再然后是第(N-2)级获得GN-2及rGN-2，一直处理到第2级获得G2及rG2；此时，校正完成，可以得到每一级相对于第1级的增益GaN(第2级相对于第1级为G2，第3级相对于第1级的增益为G2*G3,....第N级相对于第2级的增益为G2*G3*G4*....*GN)，更新每一级的增益倒数rGa2～N(＝1/Ga2～N)后，在输出数据时将该增益值倒数rG2～N分别乘以对应级的数据D2～N，然后相加，同时直接加上第1级的数据，即为SAR-ADC的校正输出结果DOUT，即DOUT＝D1+D2*rG2+D3*rG2*rG3+D4*rG2*rG3*rG4+...+DN*rG2*rG3*...*rGN。
实施例
如图2所示。在数字电路中，逐级对对收到的模拟接口数据作相应的增益运算，计算出每一级对应的Gcal，然后求倒数得到rGcal；将得到的每一级的增益倒数与对应级的模拟数据作乘法运算，再累加在一起，获得SAR-ADC的校正后的输出结果。
以分三级进行亚稳态校正为例，在模拟电路中，将逐次比较划分为4级，对第2/3/4三级的亚稳态进行检测与校正，为了校正，在待校正的几级电路中都增加了冗余电容(为了避免比较器失调带来的超量程，同时配合数字电路完成比较器失调校准。)
因为第4级为最后一级，受前面3级的影响，所以首先校准第4级与第3级的级间增益。在第4级的模拟采样电路将输入电压采样到电容阵列后，便开始进行量化；量化过程中亚稳态(该状态相当于在该级引入了一个固定的增益G4)检测电路会对比较器的工作状态进行检测，同时将亚稳态指针M4输出到数字电路；
数字电路若检测到M4＝1，则对第4级的数据D4进行累加(以每级统计512个亚稳态点为例，应用中可以适当地增加或减少检测的次数)，若为0则忽略掉；待累加满512次，求平均获得第3级和第4级的级间增益G4，获得增益的倒数rG4；
在获取到G4后，对第3级的比较器工作状态进行亚稳态检测，若检测到M3＝1，则需要对第3级的数据加上第4级的实际输入数据(即D3+D4*rG4)进行累加，累加规律与第4级一致，从而获取到第3级和第2级的级间增益G3，同时计算出rG3；
同理，获得第2级和第1级的级间增益G2，和rG2；
由于增益逐级传递，所以通过计算出的级间增益可以求出每一级相对于第1级的增益，即第1级增益为1，第2级相对于第1级的增益为G2，第3级相对于第1级的增益为G2*G3，第4级相对于第1级的增益为G2*G3*G4；所以对于每一级的数据需要除以对应的增益才能获得更理想的数据，所以有理想的输出数据DOUT＝D1+D2*rG2+D3*rG2*rG3+D4*rG2*rG3*rG4。
如图3-图6所示，本发明的校正方法，在pipeSAR输出数据为14位的情况下，经仿真验证，输出数据的精度从8.41位，提升到了13.1位，提升到11点几位；SNR从53.1dB提升到了80.7dB；THD+N从60.65dB提升到了97.16dB。。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于亚稳态检测的pipeline-SAR ADC数字级间增益校准方法，其特征在于：所述校准方法包括：
对模拟电路的逐级比较划分为N级，对第2～N级中的比较器依次作亚稳态检测，并将每级亚稳态指针输出到数字电路中；
当数字校准电路接收到的指针为设定值时，累加当前数据，直到累加的数据个数达到上限时，则完成该级校准，将数据累加的和求平均后作为该级与前一级间的级间增益；
重复上述步骤，得到每一级的级间增益，对每一级的级间增益进行处理得到数字校准电路的校准结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于亚稳态检测的pipeline-SAR ADC数字级间增益校准方法，其特征在于：所述对每级的级间增益进行处理得到数字校准电路的校准结果包括：
对每一级作亚稳态统计，求得对应当级的增益值GN及其增益倒数rGN，得到每一级相对于第1级的增益GaN；
更新每一级的增益倒数rGa2～N(＝1/Ga2～N)后，在输出数据时将该增益值倒数rG2～N分别乘以对应级的数据D2～N，然后相加，同时直接加上第1级的数据，即为SAR-ADC的校正输出结果DOUT。
3.根据权利要求1所述的一种基于亚稳态检测的pipeline-SAR ADC数字级间增益校准方法，其特征在于：所述对每级的级间增益进行处理得到数字校准电路的校准结果包括：
所述的对模拟电路第2～N级校正是从最后一级即第N级开始，逐级向前执行校正，直到完成第2级的校正，为一次校正循环。
4.根据权利要求1所述的一种基于亚稳态检测的pipeline-SAR ADC数字级间增益校准方法，其特征在于：所述对每级的级间增益进行处理得到数字校准电路的校准结果包括：
所述的对模拟电路第2～N级的校正，为了避免溢出，在待校正的每一级都增加了一个冗余位。
5.根据权利要求1所述的一种基于亚稳态检测的pipeline-SAR ADC数字级间增益校准方法，其特征在于：所述校准方法还包括比较器亚稳态判定步骤；所述比较器亚稳态判定步骤执行于所述对模拟电路的逐级比较划分为N级，对第2～N级中的比较器依次作亚稳态检测，并将每级亚稳态指针输出到数字电路中步骤之前。
6.根据权利要求5所述的一种基于亚稳态检测的pipeline-SAR ADC数字级间增益校准方法，其特征在于：所述比较器亚稳态判定步骤包括：
当数字校准电路接收到的指针为设定值包括当数字校准电路接收到的指针值为1时，表示比较器比较时间超时，此时判定比较器处于亚稳态，则此时执行所述对模拟电路的逐级比较划分为N级，对第2～N级中的比较器依次作亚稳态检测，并将每级亚稳态指针输出到数字电路中步骤，否则，不执行继续对比较器的亚稳态进行判定。
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