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 PDF

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CN114070314B CN202210051272.9A CN202210051272A CN114070314B CN 114070314 B CN114070314 B CN 114070314B CN 202210051272 A CN202210051272 A CN 202210051272A CN 114070314 B CN114070314 B CN 114070314B
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Abstract

本发明公开了一种流水线逐次逼近型ADC的级间增益误差校准方法，包括：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
Figure DEST_PATH_IMAGE001
上注入第一抖动以计算级间增益；在第二级DAC的对应位电容
Figure 482839DEST_PATH_IMAGE002
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；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
Figure 691097DEST_PATH_IMAGE001
的位权重和第二级电容
Figure 505470DEST_PATH_IMAGE002
的位权重值的代数和，最终计算出实际增益。本发明采用不影响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
Figure 327932DEST_PATH_IMAGE002
的实际权重可以近似看作是理想的权重。

Description

流水线逐次逼近型ADC的级间增益误差校准方法和系统
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
Figure 699406DEST_PATH_IMAGE001
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：
S1，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
Figure 331375DEST_PATH_IMAGE002
上注入 第一抖动以计算级间增益，采用放大器对第一级DAC输出的余量进行放大；
S2，在第二级DAC的对应位电容
Figure 982937DEST_PATH_IMAGE001
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；
S3，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
Figure 28253DEST_PATH_IMAGE002
的位权重和第二级电容
Figure 859680DEST_PATH_IMAGE001
的位权重值的代数和，最终计算 出实际增益；
其中，采用后台校准技术求出单位电容
Figure 408473DEST_PATH_IMAGE003
实际的位权重，采用轮转切换技术对
Figure 496515DEST_PATH_IMAGE004
的电容失配进行随机化处理，将轮转切换后的
Figure 701232DEST_PATH_IMAGE004
的实际权重值作为理想的权重值。
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。
进一步地，步骤S3中，采用轮转切换技术对
Figure 900132DEST_PATH_IMAGE004
的电容失配进行随机化处理的过程 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。
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：
Figure 303431DEST_PATH_IMAGE005
（1）；
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；
S32，
Figure 500057DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 254387DEST_PATH_IMAGE001
的关系满足：
Figure 991399DEST_PATH_IMAGE006
（2）；
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：
Figure 452467DEST_PATH_IMAGE007
（3）；
S34，式（3）两边乘以抖动PN得：
Figure 882311DEST_PATH_IMAGE008
（4）；
S35，对式（4）累加N次求平均得到：
Figure 858357DEST_PATH_IMAGE009
（5）；
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
Figure 835279DEST_PATH_IMAGE002
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
Figure 478749DEST_PATH_IMAGE001
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；
所述位权重计算模块采用后台校准技术求出单位电容
Figure 813916DEST_PATH_IMAGE003
实际的位权重；
所述轮转切换序列生成模块生成轮转切换序列M，对
Figure 480521DEST_PATH_IMAGE004
的电容失配进行随机化处 理，将轮转切换后的
Figure 559335DEST_PATH_IMAGE004
的实际权重值作为理想的权重值；
所述增益误差数字校准模块将第二级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
Figure 57312DEST_PATH_IMAGE002
的位权重和第二级电容
Figure 563380DEST_PATH_IMAGE001
的位权 重值的代数和，最终计算出实际增益。
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
Figure 717281DEST_PATH_IMAGE010
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
Figure 599786DEST_PATH_IMAGE011
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
Figure 952270DEST_PATH_IMAGE010
的实际权重，通过轮转切换校准解决
Figure 832502DEST_PATH_IMAGE011
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：
本发明的流水线逐次逼近型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
Figure 270436DEST_PATH_IMAGE001
的实际权重可以近似看作是理想的权重。
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。
图3是本发明实施例的无
Figure 691053DEST_PATH_IMAGE001
轮转切换的ADC输出频谱图。
图4是本发明实施例的有
Figure 599841DEST_PATH_IMAGE001
轮转切换的ADC输出频谱图。
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：
S1，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
Figure 447711DEST_PATH_IMAGE012
上注入 第一抖动以计算级间增益，采用放大器对第一级DAC输出的余量进行放大。
S2，在第二级DAC的对应位电容
Figure 372942DEST_PATH_IMAGE013
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。
S3，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
Figure 534933DEST_PATH_IMAGE012
的位权重和第二级电容
Figure 862009DEST_PATH_IMAGE013
的位权重值的代数和，最终计算 出实际增益。
其中，采用后台校准技术求出单位电容
Figure 146360DEST_PATH_IMAGE010
实际的位权重，采用轮转切换技术对
Figure 496570DEST_PATH_IMAGE011
的电容失配进行随机化处理，将轮转切换后的
Figure 258990DEST_PATH_IMAGE011
的实际权重值作为理想的权重值。
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
Figure 440572DEST_PATH_IMAGE012
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
Figure 895824DEST_PATH_IMAGE013
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。
位权重计算模块采用后台校准技术求出单位电容
Figure 733330DEST_PATH_IMAGE010
实际的位权重。
轮转切换序列生成模块生成轮转切换序列M，对
Figure 299441DEST_PATH_IMAGE011
的电容失配进行随机化处理，将 轮转切换后的
Figure 777608DEST_PATH_IMAGE011
的实际权重值作为理想的权重值。
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
Figure 403761DEST_PATH_IMAGE010
的位 权重和第二级电容
Figure 790880DEST_PATH_IMAGE011
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
Figure 832785DEST_PATH_IMAGE010
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
Figure 988960DEST_PATH_IMAGE011
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，
Figure 786015DEST_PATH_IMAGE011
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。
Figure 394851DEST_PATH_IMAGE010
的实 际位权重通过已有的电容失配校准方案可以求得，
Figure 506026DEST_PATH_IMAGE011
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：
Figure 516708DEST_PATH_IMAGE014
（1）
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
Figure 484664DEST_PATH_IMAGE011
与第一级 相反的抖动，
Figure 518479DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 964504DEST_PATH_IMAGE011
的关系理论上应满足：
Figure 95271DEST_PATH_IMAGE015
（2）；
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：
Figure 670346DEST_PATH_IMAGE016
（3）；
式（3）两边乘以抖动PN得：
Figure 253774DEST_PATH_IMAGE017
（4）；
对式（4）累加N次求平均最终可以得到：
Figure 503490DEST_PATH_IMAGE018
（5）。
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
Figure 426447DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 736205DEST_PATH_IMAGE011
的实际位权重。
Figure 806929DEST_PATH_IMAGE010
的电容失配通过已有的校准方案解决，可以求出
Figure 798019DEST_PATH_IMAGE010
的实际位权重，
Figure 637799DEST_PATH_IMAGE011
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，
Figure 118459DEST_PATH_IMAGE011
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
Figure 410900DEST_PATH_IMAGE011
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：
S1，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
Figure 766607DEST_PATH_IMAGE001
上注入第一 抖动以计算级间增益，采用放大器对第一级DAC输出的余量进行放大；
S2，在第二级DAC的对应位电容
Figure 50958DEST_PATH_IMAGE002
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；
S3，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
Figure 525802DEST_PATH_IMAGE001
的位权重和第二级电容
Figure 553801DEST_PATH_IMAGE002
的位权重值的代数和，最终计算出实 际增益；
其中，采用后台校准技术求出单位电容
Figure 548433DEST_PATH_IMAGE003
实际的位权重，采用轮转切换技术对
Figure 738106DEST_PATH_IMAGE004
的电 容失配进行随机化处理，将轮转切换后的
Figure 637929DEST_PATH_IMAGE004
的实际权重值作为理想的权重值；
步骤S3中，采用轮转切换技术对
Figure 266356DEST_PATH_IMAGE004
的电容失配进行随机化处理的过程包括以下步骤：
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：
Figure 568024DEST_PATH_IMAGE005
（1）；
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；
S32，
Figure 928599DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 125837DEST_PATH_IMAGE002
的关系满足：
Figure 495639DEST_PATH_IMAGE006
（2）；
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：
Figure 448551DEST_PATH_IMAGE007
（3）；
S34，式（3）两边乘以抖动PN得：
Figure 245606DEST_PATH_IMAGE008
（4）；
S35，对式（4）累加N次求平均得到：
Figure 854442DEST_PATH_IMAGE009
（5）；
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 之后，在第一级DAC中最后一位单位电容
Figure 840983DEST_PATH_IMAGE001
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
Figure 851665DEST_PATH_IMAGE002
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；
所述位权重计算模块采用后台校准技术求出单位电容
Figure 819621DEST_PATH_IMAGE003
实际的位权重；
所述轮转切换序列生成模块生成轮转切换序列M，对
Figure 978070DEST_PATH_IMAGE004
的电容失配进行随机化处理，将 轮转切换后的
Figure 689674DEST_PATH_IMAGE004
的实际权重值作为理想的权重值；
所述增益误差数字校准模块将第二级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
Figure 554861DEST_PATH_IMAGE001
的位权重和第二级电容
Figure 506768DEST_PATH_IMAGE002
的位权重值 的代数和，最终计算出实际增益；
采用轮转切换技术对
Figure 90196DEST_PATH_IMAGE004
的电容失配进行随机化处理的过程包括以下步骤：
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。
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