SE520277C2 - Införande av kalibreringssekvens hos en A/D-omvandlare - Google Patents

Description

20 25 h) C) 520 277 specifika kalibreringstestsekvenser för att kunna karakterisera de kritiska komponenterna och extrahera kalibreringskoefficienter, se [1].

För att ta fram kalibreringskoefficienter ersätts den normala digitala termo- meterkoden från en A/D-subomvandlare till den motsvarande D / A- subomvandlaren av kalibreringstestsekvensen. Med detta arrangemang kan varje D/A-subomvandlarelement styras av kalibreringskretsen och varje D/A-subomvandlarelements svar och vikt kan mätas med de efterföljande stegens upplösning och noggrannhet. När felen från förstärkare med ändlig förstärkning och dålig överrensstämmelse mellan D / A-delelementen väl har detekterats kan de avlägsnas från den digitala utsignalen. Kalibreringsförfa- randet startar vanligtvis vid ett visst steg i pipelinekedjan och rör sig framåt till det första steget. Mätanordningens noggrannhet ökar därmed när kalibreringsförfarandet fortskrider. Idealt finns det ingen begränsning på uppnåbar noggrannhet för en A/D-omvandlare av pipelinetyp med ett oändligt antal pipelinesteg. Brus, drift och icke-linjärt beteende kommer emellertid att begränsa den uppnåbara noggrannheten i fysiska implemente- ringar. Kalibreringsförfarandets startsteg är typiskt sett steget där de icke- ideala felen blir i paritet med kvantiseringsfelet hos de senare stegen som används för mätningar. Eftersom omkopplingen av D /A-omvand1ar- elementen utförs vid normal klockhastighet övervakas även det inre dyna- miska beteendet och även felen från ofullständig insvängning undertrycks.

Ett liknande kalibreringsförfarande används för cykliska omvandlare men här cirkulerar datat så att det steg som kalibreras även används för mät- ningarna.

Ett problem med det beskrivna förfarandet är att extra logik krävs på den tidskritiska termometerkodbussen. Detta resulterar i extra signalfördröjning som har en negativ inverkan på den maximalt uppnåbara samplingshastig- heten. lO 15 20 25 30 520 277 SAMMANFATTNING Ett syfte med den föreliggande uppfinningen är att tillhandahålla kalibrering av A/D-ornvandlare baserat på kalibreringstestsekvenser men utan denna extra signalfördröjning.

Detta syfte uppnås i enlighet med de bifogade patentkraven.

Kortfattat inför den föreliggande uppfinningen kalibreringstestsekvenserna utanför termometerkodbussen genom att tvinga komparatorerna hos A/ D- subomvandlaren i ett steg att generera och införa kalibreringstestsekvensen i D/A-subomvandlaren i samma steg. Detta eliminerar den extra fördröjning- en på termometerkodbussen och ökar därvid den uppnåbara samplingshas- tigheten.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen, tillsammans med ytterligare syften och fördelar med denna, kan bäst förstås genom hänvisningar till följande beskrivning tillsammans med de medföljande ritningarna, i vilka: Fig. 1 är ett blockdiagram över en typisk A / D-omvandlare av pipeline- typ; Fig. 2 är ett blockdiagram över ett steg i A/D-omvandlaren i fig. 1 under kalibreringsfasen; Fig. 3 är ett diagram som illustrerar timing av väsentliga styrsignaler i A/D-omvandlarsteget i ñg. 2; Fig. 4 är ett blockdiagram över en belysande utföringsform av ett A/ D- omvandlarsteg i enlighet med den föreliggande uppfinningen under kalibre- ringsfasen; Fig. 5 är ett diagram som illustrerar timing av väsentliga styrsignaler i A/D-omvandlarsteget i fig. 4; lO 15 20 25 520 277 Fig. 6 är ett blockdiagram över en annan belysande utföringsform av ett A/D-omvandlarsteg i enlighet med den föreliggande uppfinningen under kalibreringsfasen; Fig. 7 illustrerar en belysande utföringsform av en icke differentiell komparators ingångssteg; F ig. 8 är ett tidsdiagram för komparatorns ingångssteg i fig. 7; Fig. 9 illustrerar omkopplarkonfigurationen hos komparatorns ingängssteg i ñg. 7 under en första fas; Fig. 10 illustrerar omkopplarkonñgurationen hos komparatorns ingångssteg i fig. 7 under en andra fas; Fig. 11 illustrerar omkopplarkonfigurationen hos komparatorns ingängssteg i fig. 7 under en tredje fas; Fig. 12 illustrerar omkopplarkonfigurationen hos komparatoring- ångssteget i fig. 7 under en fjärde fas; Fig. 13 illustrerar en belysande utföringsform av en differentiell komparators ingångssteg; Fig. 14 illustrerar en annan belysande utföringsform av en differentiell komparators ingångssteg; Fig. 15 illustrerar en annan belysande utföringsform av en icke differentiell komparators ingångssteg; Fig. 16 är ett möjligt tidsdiagram för komparatorns ingångssteg i ñg. 15; Fig. 17 är ett annat möjligt tidsdiagram för komparatorns ingångssteg i ñg. 15; Fig. 18 är ytterliggare ett möjligt tidsdiagram för komparatorns ingångssteg i fig. 15; Fig. 19 illustrerar en belysande utföringsform av en differentiell komparators ingångssteg motsvarande utföringsformen i fig. 15; Fig. 20 illustrerar en belysande utföringsform av en icke differentiell omkopplad kondensatorimplementering ~^v en uppsättning av komparatorer- nas ingångssteg; Fig. 21 illustrerar en belysande utföringsform av en differentiell komparators ingångssteg motsvarande utföringsformen i fig. 20; 10 15 20 25 30 520 277 .- Fig. 22 illustrerar en annan belysande utföringsform av en kompara- tors ingångssteg; samt Fig. 23 är ett flödesdiagram som illustrerar den föreliggande uppfin- ningens förfarande.

DETALJERAD BESKRIVNING I den följande beskrivningen kommer samma hänvisningsbeteckningar att användas för samma eller liknande element.

Beskrivningen nedan kommer att beskriva den föreliggande uppfinningen med hänvisning till en A/D-omvandlare av pipelinetyp. Det inses emellertid att samma principer även kan användas för andra multistegs A/D- omvandlare, såsom cykliska A/ D-omvandlare eller A / D-omvandlare av ”sub- rangingtyp”.

Fig. 1 är ett blockdiagram över en typisk A / D-omvandlare av pipelinetyp. En N-bitars analog-digitalomvandling utförs i två eller fler steg, varje steg extraherar {Ni, N2 . . NK} bitar av information som representeras av de digitala orden {di, d2 d1<}, där K är antalet pipelinesteg. Det första pipeline- steget extraherar de Ni mest signifikanta bitarna genom användning av en Ni-bitars A/D-subomvandlare 10. Därefter subtraheras det uppskattade värdet från den analoga insígnalen Vin genom användning av en D / A- subomvandlare 12 och en adderare 14, vilket lämnar en rest som innehåller den för att extrahera mindre signifikanta bitar nödvändiga informationen.

Resten förstärks vanligtvis av en förstärkare 16 som har en förstärkning G1 för upprättande av det lämpliga signalområdet för steg 2. Dessa steg uppre- pas för alla K steg med undantag av det sista pipelinesteget som inte behöver generera en analog utsignal och därför inte har någon D/A-omvandlare, adderare eller förstärkare, utan endast en A/D-omvandlare lO. De digitala orden {d1, dz dx} kombineras därefter för bildande av det digitala utordet du: i en enhet 18 för tidsensning och digital korrektion av A/D- subomvandlarnas data. lO 15 20 25 30 520 277 För att förenkla den följande beskrivningen antas det att ett A/ D- omvandlarsteg har en upplösning på 3 bitar. Detta antal är tillräckligt litet för att vara lätthanterligt men är även tillräckligt stort för att illustrera de väsentliga särdragen hos ett allmänt fall.

Fig. 2 är ett blockdiagram över ett typiskt steg hos A/ D-omvandlaren i fig. 1 under kalibreringsfasen. A/D-subomvandlaren 10 innefattar ett antal komparatorer COMP1-COMP7. En ingångsterminal hos varje komparator ansluts till en motsvarande referensspänning Vl-V7. Dessa referensspän- ningar bildas av en stege av resistorer Rl-R8. Under A/D-omvandling mottager den andra ingångsterminalen hos varje komparator den analoga insignalen (samma signal till varje komparator). Utsignalerna från kompa- ratorerna bildar tillsammans det digitaliserade värdet i termometerkod.

Dessa signaler vidarebefordras till D / A-subomvandlaren 12 över en termo- meterkodbuss, där de omvandlas till ett motsvarande analogt värde. Detta värde subtraheras från det ursprungliga analoga värdet (som har lagrats i en hållkrets 20) i adderaren 14 och restsignalen förstärks med en förstärkning lika med 4 i förstärkarelementet 16.

Under kalibrering vidarebefordras en analog signal som har ett förbestämt värde, till exempel O, till hållkretsen 20. Det motsvarande digitaliserade värdet vidarebefordras emellertid inte till D/A-subomvandlaren 12. Istället kopplar en uppsättning av omkopplare SW bort D/A-subomvandlaren 12 från termometerkodbussen och ansluter den till ett sampel från kalibre- ringstestsekvensen. Denna sekvens genereras av en generator av kalibre- ríngstestsekvenser CTS. Kalibreringstestsekvensens sampel väljs på ett sådant sätt att olika kombinationer av D / A-subomvandlaringångar aktive- ras. De resulterande analoga restsignalerna digitaliseras av pipelinens återstående steg och de resulterande digitala värdena används för bestäm- ning av digitala kalibreringskoefñcienter i enlighet med välkända förfaran- den. Kalibreringssekvensen kan genereras på en och samma gång, till lO 15 20 25 30 520 277:ffiw:::*;f* 7 exempel vid igångsättning av A/D-omvandlaren, eller sampel för sampel vid valda tillfällen när A/ D-omvandlarens normala drift avbryts.

Fig. 3 är ett diagram som illustrerar timingen av de styrsígnaler “DS 0011 'bh som styr A /D-subomvandlaren 10 respektive D / A-subomvandlaren 12 i A/ D- omvandlarsteget i fig. 2. A/D-omvandlarens beslutsfas startar när styrsigna- len (Ds går ned. D /A-omvandling i D/A-omvandlaren 12 kan emellertid inte starta vid samma tidpunkt på grund av de fördröjníngar Tcomp och TSW som införs av A/D-subomvandlarens 10 komparatorer respektive omkopplarna SW. Dessutom finns det en säkerhetsmarginal Tm för att säkerställa repe- terande insvängning av den efterföljande D /A-omvandlaren oberoende av komparatorfördröjningarna, vilka inte är exakt kända. Den totala fördröjning- en innan D / A-omvandling startar genom att “Dh går hög är således: T T +Tsw+Tm lata! fördröjning = camp Den totala fördröjningen bör emellertid vara så kort som möjligt eftersom en kortare fördröjning omvandlas till en högre uppnåbar samplingshastighet.

Som ett exempel, om Tcomp antas vara 1 ns är TSW och Tm typiskt i storleks- ordningen 0.4 ns.

Fig. 4 är ett blockdiagram över en belysande utföringsform av ett A/ D- omvandlarsteg i enlighet med den föreliggande uppfinningen under kalibre- ringsfasen. I denna utföringsform har omkopplarna SW flyttas från termome- terkodbussen till “komparatortröskelbussen”. Under kalibrering ersätts referensspänningarna till komparatorerna COMPl-COMP? av ett sampel från kalibreringstestsekvensen och tvingar därvid A/D-subomvandlaren 10 att generera ett kalibreringssampel på termometerkodbussen (i själva verket inverteras samplet till komparatortröskelbussen eftersom det vidarebefordras till referensingångarna och inte till signalingångarna). lO 15 20 25 30 520 277 8 Fig. 5 är ett diagram som illustrerar timingen av styrsignalerna (PS 0Ch *Dh i A/D-omvandlarsteget i fig. 4. Eftersom omkopplarna SW har tagits bort från terrnometerkodbussen kommer den totala fördröjningen på bussen nu att bli: T +T total fördröjning = Tcomp m Eftersom komparatorerna fortfarande finns närvarande i omvandlaren kommer omvandlingsfördröjningen Tcomp fortfarande att finnas kvar. Använ- dandes de belysande fördröjningsvärdena ovan blir det en reducering i fördröjning på mer än 20%. Denna reducering kan användas för att öka den uppnäbara samplingshastigheten.

Fig. 6 är ett blockdiagram över en annan belysande utföringsform av ett A/ D- omvandlarsteg i enlighet med den föreliggande uppfinningen under kalibre- ringsfasen. Denna utföringsform liknar utföringsformen i fig. 4. I detta fall ansluts emellertid omkopplama SW till ”ingängssignalbussen” till A/ D- subomvandlaren 10 istället för komparatortröskelbussen. Detta ger samma fördelar som utföringsformen i fig. 4.

Fig. 7 illustrerar en belysande utföringsform av den izte komparatorns ingångssida i ett A/D-omvandlarsteg i enlighet med den föreliggande uppfin- ningen. Den är en icke differentiell utföringsform som tillhandahåller offset- undertryckning genom autonollställning. Denna utföringsform baseras på en komparator COMPi och en kondensator Ci anslutna till inverteringsterminalen och styrs av en uppsättning av omkopplare, vilket illustreras av tidsdiagram- met i fig. 8. I detta och efterföljande tidsdiagram motsvarar en hög signalnivå en stängd (ledande) omkopplare medan en låg signalnivå motsvarar en öppen (icke-ledande) omkopplare.

Fig. 9 illustrerar omkopplarkonfigurationen hos komparatorns ingångssteg i ñg. 7 under en första fas T. Under denna fas laddar tröskelspänningen kondensatorn. Komparatorns negativa återkoppling upprättar spänningen 10 15 20 25 30 520 277 Vbias vid den inverterande komparatoringängen och kondensatorn Ci laddas således med spänningen THRi-Vbias.

Fig. 10 illustrerar omkopplarkonfigurationen hos komparatorns ingångssteg i fig. 7 under en andra fas A. Under denna fas vidarebefordras den analoga signalen till kondensatorn och återkopplingsvägen bryts. Detta kommer att addera skillnaden mellan tröskeln THRi och den analoga signalen till spän- ningen Vbias vid den inverterande komparatoringängen. Den resulterande spänningen kommer att jämföras med spänningen Vbias vid den andra komparatoringången vid tidpunkten A/ D i fig. 8.

Detta mönster med en tröskelfas T och en analog signalfas A upprepas både under normal sampling och under införande av kalibreringssampel. Skillna- den är att under kalibrering ersätts tröskeln av ett inverterat sampel från kalibreringstestsekvensen. De motsvarande omkopplarkonfigurationerna för fas T och A illustreras i fig. 11-12.

Fig. 13 illustrerar en belysande utföringsform av en differentiell komparators ingängssteg. Denna utföringsform motsvarar den icke differentiella utförings- formen i fig. 7. Denna krets är effektiv på att undertrycka skillnader i nominell spänning mellan referens- och insignalskällor.

Fig. 14 illustrerar en annan belysande utföringsform av en differentiell komparators ingängssteg. I detta fall finns det ingen autonollställning.

Det bör noteras att tidsdiagrammet i fig. 8 även kan användas i utföringsfor- merna i fig. 13 och 14.

Figi 15 illustrerar en annan belysande utföringsform av en icke differentiell komparators ingångssteg. I denna utföringsform ersätts omkopplaren på tröskelingången av ett omkopplararrangemang anslutet direkt till samplings- kondensatorn. Detta arrangemang har fördelen att en extra omkopplare (och 10 15 20 25 30 10 motsvarande resistans) undviks på tröskel-/kalibreringsvägen till kondensa- torn. Dessutom kan omkopplarna göras betydligt mindre, vilket förbättrar tröskelinsvängning.

Fig. 16-18 illustrerar 3 möjliga tidsdiagram för den i fig. 15 illustrerade utföringsformen.

Fig. 16 illustrerar ett möjligt tidsdiagram. I detta fall införs (den inverterade) CTS-signalen under tröskelinfasen.

Fig. 17 är ett annat möjligt tidsdiagram i vilket CTS-signalen införs under den analoga sígnalinfasen.

Fig. 18 är ett ytterligare möjligt tidsdiagram för komparatorns ingångssteg i fig. 15. I detta fall införs CTS-signalen under båda faserna. Denna tidsplan har fördelen att endast kräva ganska låga spånningssvängningar och att CT S- omkopplare med minimal storlek kan användas eftersom inga stora in- eller tröskelnivåer måste överskridas.

Fig. 19 illustrerar en belysande utföringsform av en autonollstållande diffe- rentiell komparators ingångssteg motsvarande utföringsformen i ñg. 15.

Samma tidsdiagram som i fig. 16-18 kan användas för denna utföringsform.

Dessutom kan en liknande utföringsform utan autonollställning erhållas genom modifiering av kondensatorarrangemanget runt komparatorn som i fig. 14.

Fig. 20 illustrerar en belysande utföringsform av en omkopplad kondensa- torimplementering av en uppsättning av komparatorers ingångssteg. Figuren illustrerar en 3-bitars icke differentiell A/ D-subomvandlare. Samplingsom- kopplarna mellan koniparatoringångarna oc i -utgångarna realíserar autonoll~ ställningsfunktionen som i några av de tidigare beskrivna utföringsformerna.

Komparatorernas tröskelnivåer bestäms under normal drift av kvoten mellan lO 15 20 25 30 520 277 §_j;ff¿=.ï__.= ll de två kondensatorerna vid varje komparator. Dessa kondensatorer har kapacitanserna: 0,. =(s-z)-c C.b=¿.(j l i=1...7 där C är en gemensam skalfaktor. Vid 49112 omkopplas “b” kondensatorerna till den positiva referensspänningen och “a” kondensatorerna omkopplas till den negativa referensspänningen. Referensspänningarna samplas därefter vid slutet av (Dm och den totala ackumulerade laddningen bevaras till 4232 klockfa- sen när alla kondensatorerna omkopplas till den analoga signalen. Tröskel- spänningarna blir nu tillgängliga över de parallellkopplade kondensatorerna genom laddningsdelning och komparatorbeslutet kan tas. Om CTS-signalerna ska införas väljer CTS-styrsignalen de motsvarande CTS-bitarna istället för referensspänningarna vid varje komparator. Om normal omkoppling bibehålls måste CTS-bitarnas spänningar ersätta referensspånningsnivåerna för att säkert överskrida den analoga signalens inspänningsområde. Samma om- kopplingsplan som i fig. 8 kan användas.

Fig. 21 illustrerar en belysande utföringsform av en differentiell komparators ingångssteg motsvarande utföringsformen i fig. 20. För att undvika att överbelasta figuren med detaljer illustreras endast en allmän komparators ingångssteg.

Det är även möjligt att modifiera utföringsformerna i fig. 20 och 21 för att undvika den extra omkopplaren som i utföringsformerna i fig. 15 och 19.

Sådana modifierade utföringsformer kan använda omkopplingsplanerna i fig. 16-18.

Fig. 22 illustrerar en annan belysande utföringsform av en komparators ingångssteg. Denna utföringsform använder komparatorkretsar med en extra ingång för offsetjustering. Denna extra ingång kan användas för att tillämpa 10 15 20 12 kalibreringstestsekvensen medan insignalen sätts till noll. När CDCTS är låg matas justeringsspänningen till den extra komparatoringången för att upphä- va komparatoroffseten. Under denna fas kommer den positiva komparatoring- ängen att anslutas till den analoga insignalen och den negativa komparato- ringången kommer att anslutas till tröskelspänningen THRi. Under denna fas opererar komparatorn normalt. I den andra fasen, när ÖCTS är hög ansluts både de positiva och negativa komparatoringängarna till tröskelspänningen, vilket leder till en noll insignal. Samtidigt tillämpas den stora svängnings-CTS- signalen på komparatorns offsetjusteringsingång och åsidosätter därvid den inre offseten och tvingar således komparatorutsignalen att anta CTS- signalvärdet. I denna utföringsform måste det säkerställas att den extra ingångens förstärkning till utgången är tillräcklig för att garantera åsidosätt- ning av hela offsetsignalområdet.

Fig. 23 är ett flödesdiagram som summerar den föreliggande uppfinningens förfarande. I steg S1 nås nästa samplingsperiod. Steg S2 testar huruvida detta är en normal samplingsperíod eller en kalibreringsperiod. Om det år en kalibreringsperiod genererar steg S3 ett sampel från kalibreringstestsekvensen i A/ D-subomvandlaren för införande i D/A-subomvandlaren. Annars utförs normal sampling i steg S4. Slutligen återvänder förfarandet till steget S1.

Fackmannen inser att olika modifieringar och förändringar kan göras vid den föreliggande uppfinningen utan avvikelse från dess ram, som definieras av de bifogade patentkraven. 520 277 13 REFERENSER [1] Song-Ung Kwak 8a Bang-Sup Song, “A 15-b, 5Msarnple/ s Low- Spurious CMOS ADC”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 32, nr. 12, Dec. 1997.

Claims (19)

lO 15 20 25 (JJ <3 520 277 14 PATENTKRAV

1. Förfarande för införande av en kalibreringstestsekvens i en D / A- subomvandlare i ett A/D-omvandlarsteg, kännetecknat av styrning av en A/D-subomvandlares komparatorer för införande av kalibreringstestsekven- S611.

2. Förfarande enligt patentkrav 1, kännetecknat av modifiering av kompa- ratortrösklar för generering av kalibreringstestsekvensen.

3. Förfarande enligt patentkrav 1, kännetecknat av modifiering av kompa- ratorernas insignaler för generering av kalibreringstestsekvensen.

4. Förfarande enligt patentkrav 1, kännetecknat av modifiering av kompa- ratorernas offsetjusteringar för generering av kalibreringstestsekvensen.

5. Apparat för införande av en kalibreringstestsekvens i en D /A- subomvandlare i ett A/D-omvandlarsteg, kännetecknad av organ (SW) för styrning av en A/D-subomvandlares komparatorer för införande av kalibre- ringstestsekvensen.

6. Apparat enligt patentkrav 5, kännetecknad av organ (SW) för modifiering av komparatortrösklar för generering av kalibreringstestsekvensen.

7. Apparat enligt patentkrav 5, kännetecknad av organ (SW) för modifiering av komparatorernas insignaler för generering av kalibreringstestsekvensen.

8. Apparat enligt patentkrav 5, kännetecknad av organ (SW) för modifiering av komparatorernas offsetjusteringar för generering av kalibreringstestse- kvensen.

9. A/D-omvandlarsteg innefattandes en A / D-subomvandlare ansluten till en D/A-subomvandlare, kännetecknat av organ (SW) för styrning av A/ D- lO 15 20 25 30 520 277 15 subomvandlarens komparatorer för införande av en kalibreringstestsekvens till D /A-subomvandlaren.

10. A / D-omvandlarsteg enligt patentkrav 9, kännetecknat av organ (SW) för modifiering av komparatortrösklar för generering av kalibreringstestsekven- S611.

11. 1 1. A /D-omvandlarsteg enligt patentkrav 9, kännetecknat av organ (SW) för modifiering av komparatorernas insignaler för generering av kalibrerings- testsekvensen.

12. A/D-omvandlarsteg enligt patentkrav 9 kännetecknat av organ (SW) för modifiering av komparatorernas offsetjusteringar för generering av kalibre- ringstestsekvensen.

13. Multistegs A/D-omvandlare, i vilken kalibrering av åtminstone ett A/ D- omvandlarsteg baseras på införande av en kalibreringstestsekvens i en D/A- subomvandlare, kännetecknad av organ (SW) för styrning av en A/ D- subomvandlares komparatorer för införande av kalibreringstestsekvens.

14. A/Dbmvandlare enligt patentkrav 13, kännetecknad av organ (SW) för modifiering av komparatortrösklar för generering av kalibreringstestsekven- S611.

15. A/D-omvandlare enligt patentkrav 13, kännetecknad av organ (SW) för modifiering av komparatorernas insignaler för generering av kalibrerings- testsekvensen.

16. A/D-omvandlare enligt patentkrav 13, kännetecknad av organ (SW) för modifiering av komparatorernas offsetjusteringar för generering av kalibre- ringstestsekvensen. 10 520 277 16

17. A /D-omvandlare enligt något av patentkraven 13-16, kännetecknad av att A/ D-omvandlaren är en A/ D-omvandlare av pipelinetyp.

18. A/ D-omvandlare enligt något av patentkraven 13-16, kännetecknad av att A/ D-omvandlaren är en cyklisk A/ D-omvandlare.

19. A/ D-omvandlare enligt något av patentkraven 13-16, kännetecknad av att A/ D-omvandlaren är en A/ D-omvandlare av sub-rangingtyp.