CN114070314B - 流水线逐次逼近型adc的级间增益误差校准方法和系统 - Google Patents
流水线逐次逼近型adc的级间增益误差校准方法和系统 Download PDFInfo
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及数模混合集成电路设计技术领域,具体而言涉及一种流水线逐次逼近型ADC的级间增益误差校准方法和系统。
背景技术
流水线逐次逼近型(Pipelined-SAR)ADC通过级联多个中等分辨率的SAR ADC以流水线的方式进行工作,从而能够结合流水线型(Pipelined)ADC的高速高精度和SAR ADC的高能效优势。一方面,该架构克服了传统的Pipelined ADC中的Flash 型ADC成本随量化位数呈指数上升的缺点;另一方面,该架构采用多级中等分辨率的SAR ADC对采样信号进行多歩的粗细量化,并结合Pipeline ADC的级间余量放大的方式将前级SAR ADC的余量信号放大后传递给第二级SAR ADC量化,从而提升了ADC的整体精度。
由于Pipelined-SAR ADC具备实现高速高精度以及高能效的潜力,因此成为了近年来国内外ADC设计领域的研究热点。但是,Pipelined-SAR ADC存在级间增益误差问题,限制其性能的进一步提升。增益误差主要是由放大器输出端寄生电容、放大器的非线性以及PVT的变化导致的。当放大器的实际增益大于理想值时,放大后的部分模拟量会丢失,导致失级现象产生,当放大器的实际增益小于理想值时,经第二级SAR ADC量化后会有一部分数字码丢失,造成失码现象。为了消除增益误差带来的影响对其校准是一种低成本的方案。而传统的前台校准不能跟踪工艺、电压和温度(Process, Voltage, Temperature, PVT)变化。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足,提供一种流水线逐次逼近型ADC的级间增益误差
校准方法和系统,采用不影响ADC正常工作的轮转切换校准技术将电容的顺序随机打乱,从
而将固定的误差随机化,减小ADC频谱中的谐波,使的实际权重可以近似看作是理想的权
重。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种流水线逐次逼近型ADC的级间增益误差校准方法,所述级间增益误差校准方法包括以下步骤:
进一步地,步骤S2中,所述第二抖动和第一抖动的电压值相等。
在第二级DAC所有单位电容中,采用轮转切换的方式,通过随机信号发生器产生一个随机序列M,使每周期电容的顺序轮转M位,每次选择单位电容的数量相同,但是选择的单位电容因为轮转变化,将固定的电容失配随机化。
进一步地,步骤S3中,计算出实际增益的过程包括以下步骤:
S31,通过理论计算得到第一级DAC的余量输出经过放大器变为:
式中,G为级间增益,V RES 是第一级DAC的余量信号,Ct1是第一级DAC的总电容值,D1(i)是第一级DAC第i次比较的数字码输出,C1(i)是第一级DAC对应的第i位的电容,V REF1 是第一级的参考电压,PN是注入的抖动信号;
其中Ct2是第二级DAC的总电容值,V REF2 是第二级DAC的参考电压;
S33,将第二级DAC的输出D out2 表示为:
S34,式(3)两边乘以抖动PN得:
S35,对式(4)累加N次求平均得到:
其中,N是正整数;
根据式(5)求出实际增益G。
基于前述方法,本发明还提及一种流水线逐次逼近型ADC的级间增益误差校准系统,所述级间增益误差校准系统包括第一级DAC、放大器、第二级DAC、增益误差数字校准模块、轮转切换序列生成模块、第一参数生成模块、第二参数生成模块和位权重计算模块;
所述第一参数生成模块、第一级DAC、放大器和第二级DAC依次连接,第一参数生成
模块将生成的输入信号、第一参考电压和第一抖动导入第一级DAC,输入信号在经过采样、
量化之后,在第一级DAC中最后一位单位电容上注入第一抖动以计算级间增益,再采用放
大器对第一级DAC输出的余量进行放大后发送至第二级DAC;
所述第二参数生成模块与第二级DAC连接,第二参数生成模块将生成的第二参考
电压和第二抖动导入第二级DAC,在第二级DAC的对应位电容上注入与第一级相反的第二
抖动,以抵消第一抖动注入增加的余量摆幅,再经第二级DAC量化转换为第二级的输出;
本发明的流水线逐次逼近ADC的级间增益误差校准方法,第一级比较结束后在
上注入抖动,余量经过放大器进入到第二级。为了不占用冗余范围,放大后的余量被第二级
量化前,在第二级DAC的某位电容上注入与第一级相反的抖动用于抵消第一级抖动注入
增加的余量摆幅,然后再经第二级量化转换为第二级的输出。通过已有的后台电容失配校
准技术求出的实际权重,通过轮转切换校准解决的失配问题,最后通过后台校准计算
实际增益G。
本发明的有益效果是:
附图说明
图1是本发明实施例的流水线逐次逼近型ADC的级间增益误差校准系统的结构示意图。
图2是本发明实施例的轮转切换校准技术原理示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
需要注意的是,发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语,亦仅为便于叙述的明了,而非用以限定本发明可实施的范围,其相对关系的改变或调整,在无实质变更技术内容下,当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明实施例提及一种流水线逐次逼近型ADC的级间增益误差校准方法,该级间增益误差校准方法包括以下步骤:
图1是本发明实施例的流水线逐次逼近型ADC的级间增益误差校准系统的结构示意图。该级间增益误差校准系统包括第一级DAC、放大器、第二级DAC、增益误差数字校准模块、轮转切换序列生成模块、第一参数生成模块、第二参数生成模块和位权重计算模块。
第一参数生成模块、第一级DAC、放大器和第二级DAC依次连接,第一参数生成模块
将生成的输入信号、第一参考电压和第一抖动导入第一级DAC,输入信号在经过采样、量化
之后,在第一级DAC中最后一位单位电容上注入第一抖动以计算级间增益,再采用放大器
对第一级DAC输出的余量进行放大后发送至第二级DAC。
第二参数生成模块与第二级DAC连接,第二参数生成模块将生成的第二参考电压
和第二抖动导入第二级DAC,在第二级DAC的对应位电容上注入与第一级相反的第二抖
动,以抵消第一抖动注入增加的余量摆幅,再经第二级DAC量化转换为第二级的输出。
增益误差数字校准模块内置增益误差数字校准算法,用于将第二级DAC的输出与
第一抖动做乘法,通过若干个数据统计之后,累加求取平均值,计算得到包含增益的的位
权重和第二级电容的位权重值的代数和,最终计算出实际增益。
输入信号在经过采样、量化之后,在第一级DAC中最后一位单位电容上注入抖动
用于计算级间增益,最后DAC输出的余量通过放大器放大。为了不占用冗余范围,第一级被
放大的余量在被第二级量化前,在第二级DAC的对应位电容上注入与第一级相反的抖动
用于抵消第一级抖动注入增加的余量摆幅,的电容通过在模拟域使用轮转切换技术来得
到,然后再经第二级量化转换为第二级的输出;将第二级的输出与抖动做乘法,通过大量的
数据统计之后,累加求平均得出实际增益和第二级额外电容的位权重值的代数和。的实
际位权重通过已有的电容失配校准方案可以求得,的实际权重经过轮转切换之后可以近
似看作是理想的,所以也就可以求出实际增益。
在第二级的DAC所有单位电容中,采用轮转切换的方式,通过随机信号发生器产生一个随机序列M,则每周期电容的顺序轮转M位,每次选择单位电容的数量相同,但是选择的单位电容因为轮转变化,从而将固定的电容失配随机化,减小ADC输出的谐波。
求实际增益的具体方法为:通过理论计算可以得到第一级的余量输出经过放大器变为:
其中G为级间增益,V RES 是第一级的余量信号,Ct1是第一级的总电容值,D1(i)是第
一级每周期第i次比较的数字码输出,C1(i)是第一级对应的第i位的电容,V REF1 是第一级的
参考电压,PN是注入的抖动信号。因为第一级抖动注入,会导致余量的偏移,占用一定的冗
余空间,为了抵消掉占用的冗余空间,在第二级量化前注入第二级DAC中的电容与第一级
相反的抖动,和的关系理论上应满足:
其中Ct2是第二级的总电容值,V REF2 是第二级的参考电压。
第二级的输出可以表示为:
式(3)两边乘以抖动PN得:
对式(4)累加N次求平均最终可以得到:
在实际电路中,电容都是存在一定的失配的,为了求出实际增益,就必须求出和的实际位权重。的电容失配通过已有的校准方案解决,可以求出的实际位权重,
的位权重通过轮转切换技术可以近似看作是理想的,最终可以求出实际增益G。
如图2所示为轮转切换校准技术的示意图,对于一个14bit的两级Pipelined-SAR
ADC结构,其中第一级7bit,第二级9bit,包含两位级间冗余,第二级的参考电压设为第一级
的一半,以减小放大增益,则理论的级间增益为16。由式(2)可知,应为32个理想的单位电
容的量。在第二级256个单位电容中采用轮转切换的方式,通过伪随机信号发生器产生一个
随机序列M,每次选择单位电容的数量固定为32个,电容的顺序每周期轮转M位,由于选择的
单位电容因为随机数M而随机化,将固定的电容失配随机化,从而使电容失配导致的固定误
差随机化,最终减小ADC输出的谐波,提升ADC整体的动态性能。
如图3、4所示分别为本发明在MATLAB仿真的无级间增益误差校准和有级间增益误
差校准的ADC输出频谱图。设置的级间增益为16.3,两级的电容失配都被考虑进去且第一级
的电容失配已被校准,通过对比发现在经过级间增益校准之后,整体的有效位数和无杂
散动态范围都有明显提升。
以上仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰,应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种流水线逐次逼近型ADC的级间增益误差校准方法,其特征在于,所述级间增益误差校准方法包括以下步骤:
在第二级DAC所有单位电容中,采用轮转切换的方式,通过随机信号发生器产生一个随机序列M,使每周期电容的顺序轮转M位,每次选择单位电容的数量相同,但是选择的单位电容因为轮转变化,将固定的电容失配随机化。
2.根据权利要求1所述的流水线逐次逼近型ADC的级间增益误差校准方法,其特征在于,步骤S2中,所述第二抖动和第一抖动的电压值相等。
3.根据权利要求1所述的流水线逐次逼近型ADC的级间增益误差校准方法,其特征在于,步骤S3中,计算出实际增益的过程包括以下步骤:
S31,通过理论计算得到第一级DAC的余量输出经过放大器变为:
式中,G为级间增益,V RES 是第一级DAC的余量信号,Ct1是第一级DAC的总电容值,D1(i)是第一级DAC第i次比较的数字码输出,C1(i)是第一级DAC对应的第i位的电容,V REF1 是第一级的参考电压,PN是注入的抖动信号;
其中Ct2是第二级DAC的总电容值,V REF2 是第二级DAC的参考电压;
S33,将第二级DAC的输出D out2 表示为:
S34,式(3)两边乘以抖动PN得:
S35,对式(4)累加N次求平均得到:
其中,N是正整数;
根据式(5)求出实际增益G。
4.一种流水线逐次逼近型ADC的级间增益误差校准系统,其特征在于,所述级间增益误差校准系统包括第一级DAC、放大器、第二级DAC、增益误差数字校准模块、轮转切换序列生成模块、第一参数生成模块、第二参数生成模块和位权重计算模块;
所述第一参数生成模块、第一级DAC、放大器和第二级DAC依次连接,第一参数生成模块
将生成的输入信号、第一参考电压和第一抖动导入第一级DAC,输入信号在经过采样、量化
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CN111654285A (zh) * | 2020-03-11 | 2020-09-11 | 东南大学 | 一种pipelined SAR ADC电容失配和增益误差的数字后台校准方法 |
CN112003620A (zh) * | 2020-10-29 | 2020-11-27 | 南京航空航天大学 | 一种流水线逐次逼近型adc位权后台校准系统和方法 |
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- 2022-01-18 CN CN202210051272.9A patent/CN114070314B/zh active Active
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CN111654285A (zh) * | 2020-03-11 | 2020-09-11 | 东南大学 | 一种pipelined SAR ADC电容失配和增益误差的数字后台校准方法 |
CN112003620A (zh) * | 2020-10-29 | 2020-11-27 | 南京航空航天大学 | 一种流水线逐次逼近型adc位权后台校准系统和方法 |
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