SE522569C2 - Dynamisk elemetanpassning i a/d-omvandlare - Google Patents

Description

20 25 30 522 569 n oc. ~ ~ - ~ » o u - ~ v - > . ..

SAMMANFATTNING Ett syfte med den föreliggande uppfinningen är att tillhandahålla dynamisk elementanpassning för A/ D-omvandlare utan denna extra signalfördröjning.

Detta syfte uppnås i enlighet med de bifogade patentkraven.

Kortfattat implementerar den föreliggande uppfinningen dynamisk element- anpassning utanför termometerkodbussen genom att tvinga komparatorerna hos A/D-subomvandlaren i ett steg i att generera en krypterad termometer- kod. Detta eliminerar den extra fördröjningen på termometerkodbussen och därvid ökas den uppnäeliga samplingshastigheten.

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 typiskt steg hos A/D-omvandlaren i fig. 1 med konventionell kryptering; Fig. 3 är ett diagram som illustrerar timing av väsentliga styrsignaler i A/ D-omvandlarsteget i fig. 2; Fig. 4 är ett blockdiagram över en belysande utföringsform av ett A/D- omvandlarsteg i enlighet med den föreliggande uppfinningen; Fig. 5 är ett diagram som illustrerar timing av väsentliga styrsignaler i A /D-omvandlarsteget i fig. 4; Fig. 6 illustrerar en belysande krypteringsenhet implementerad som ett butterflynät; 10 15 20 25 30 522 569 -' " 3 Fig. 7 illustrerar en belysande utföringsform av en termometer- binäromvandlare som är lämplig att användas i anslutning till den förelig- gande uppfinningen; Fig. 8 illustrerar en annan belysande utföringsform av en termometer- binäromvandlare som är lämplig att användas i anslutning till den förelig- gande uppfinningen; Fig. 9 är ett tidsdiagram som illustrerar insvängningstider för tröskel- nivåfel som beror på kryptering; Fig. 10 illustrerar en belysande utföringsform av en komparators ingångssteg; Fig. ll är ett tidsdiagram som illustrerar insvängningstider för trös- kelnivåfel som beror på kryptering i utföringsformen i fig. 10; Fig. 12 illustrerar en belysande utföringsforrn av en komparators ingångssteg baserat på generering av omkopplade kondensatortrösklar; Fig. 13 illustrerar en belysande utföringsform av ett steg i en A/D- omvandlare av multibitars delta-sigmatyp konfigurerad i enlighet med den föreliggande uppfinningen; samt Fig. 14 är ett flödesdiagram som illustrerar förfarandet i enlighet med den föreliggande uppfinningen.

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

Beskrivningen nedan kommer i första hand att beskriva den föreliggande uppfinningen med hänvisning till en A/D-omvandlare av pipelinetyp. Det in- ses emellertid att samma principer även kan användas för andra multistegs A/D-omvandlare, såsom A/D-omvandlare av ”sub-rangingtyp”, multibitars delta-sigmatyp eller cykliska omvandlare (fastän en cyklisk A/ D-omvandlare bokstavligen inte är en multistegs omvandlare anses den i denna beskrivni- gens syften vara en omvandlare av multistegstyp eftersom den utför A/ D- omvandling i flera steg genom återanvändning av ett A/D-omvandlarsteg). 10 15 20 25 30 522 569 .f- nu 4 Fig. 1 är ett blockdiagram över en typisk A/ D-omvandlare av pipelinetyp. En N-bitars analog-digitalomvandling utförs i två eller fler steg, varvid varje steg extraherar {Ni, N2 Nx} bitar av information som representeras av de digi- tala orden {di, dz dx}, där K är antalet pipelinesteg. Det första pipelineste- get extraherar de Ni mest signifikanta bitarna genom användning av en Ni- bitars A/D-subomvandlare 10. Därefter subtraheras det uppskattade värdet från den analoga insignalen 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 Gi 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, ad- derare eller förstärkare, utan endast en A/D-omvandlare 10. De digitala or- den {d1, dz dK} kombineras därefter för bildande av det digitala utordet du: i en enhet 18 för tidsensning och digital korrektion av A/ D- subomvandlarnas data.

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.

A/D-subomvandlaren 10 innefattar ett antal komparatorer COMP1-COMP7.

En ingängsterminal hos varje komparator ansluts till en motsvarande refe- rensspänning V1-V7 . Dessa referensspänningar bildas av en stege av resis- torer R1-R8. Under A/D-omvandling mottager den andra ingångsterminalen hos varje komparator den analoga insignalen (samma signal till varje kom- parator). Utsignalerna från komparatorerna bildar tillsammans det digitali- serade värdet i termometerkod. Dessa signaler vidarebefordras till D / A- subomvandlaren 12 över en termometerkodbuss bildad av ledningarna Tl- 10 15 20 25 30 522 569 u v « « . o . . . . . . , ., 5 T7, där de omvandlas till ett motsvarande analogt värde. Detta värde sub- traheras 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. Bitarna från steget extraheras av en termometer- binäromvandlare 22 som omvandlar termometerkoden till binärkod, typiskt sett genom att hitta övergången från 1 till O i termometerkoden och slå upp den motsvarande positionen i ett läsminne (ROM) för att få binärkoden.

Dynamisk elementanpassning används ofta för randomisering av A/ D- omvandlarens fel. Randomiseringen erhålls genom sinsemellan utbyte, på ett pseudoslumpässigt sätt, av de element vars olämpliga anpassning genererar oönskade störningssignaler. I A/D-omvandlare av pipelinetyp betyder detta vanligtvis att elementen i en D / A-subomvandlare 12 byts ut sinsemellan av en krypteringsenhet 24 som styrs av en pseudoslumpmässig krypteringskod.

Utbytet utförs typiskt sett genom kryptering (scrambling) av de termometer- kodbitar som genereras av A/D-subomvandlaren 10 innan signalerna an- bringas på D / A-subomvandlaren. Sådan kryptering dekorrelerar D / A- omvandlarens fel från insignalen. Felen uppträder således nu som slump- mässigt brus och inte som ett systematiskt fel.

Fig. 3 är ett diagram som illustrerar timingen av de styrsignaler (Ds och (Dh som styr A/D-subomvandlaren 10 respektive D / A-subomvandlaren 12 i A/ D- omvandlarsteget i ñg. 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 fördröjningar Tcomp och Tscf som införs av A/D-subomvandlarens 10 komparatorer respektive krypteringsen- heten 24. Dessutom finns det en säkerhetsmarginal Tm för att säkerställa re- peterande insvångning 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 +T +T,,, total fördröjning = camp scr 10 15 20 25 30 av av I u v a - n . ~ « . , . . ..

Den totala fördröjningen bör emellertid vara så kort som möjligt eftersom en kortare fördröjning omvandlas till en högre uppnåbar samplingshastighet.

Dessutom implementeras krypteringsenheten 24 ofta som en butterflystruktur med flera lager (ett exempel kommer att beskrivas med hänvisning till fig. 6).

Varje lager inför en fördröjning. Eftersom det erfordrade antalet lager i butter- flystrukturen ökar med antalet extraherade bitar per steg betyder detta att även fördröjningen Tscr kommer att öka för steg med högre upplösning. Som ett typiskt exempel kan varje lagers fördröjning vara 0,2 ns som för en butter- flystruktur med 3 lager resulterar i en fördröjning Tscf på 0,6 ns. Detta kan jämföras med en typisk fördröjning Twmp på 0,6 ns och en marginal Tm på 0,2 ns. Den totala fördröjningen i detta exempel år således 1,4 ns.

Fig. 4 är ett blockdiagram över en belysande utföringsform av ett A/ D- omvandlarsteg i enlighet med den föreliggande uppfinningen. I denna utfö- ringsform har krypteringsenheten 24 flyttats från termometerkodbussen till den “komparatortröskelbuss” som bildas av ledningarna V1-V7. Under krypte- ring byts ledningarna V1-V7 (och således referensspänningarna) till kompa- ratorerna COMP1-COMP7 ut sinsemellan i enlighet med en krypteringskod och därvid tvingas A/D-omvandlaren 10 att generera en krypterad kod på termometerkodbussen (eftersom den analoga insignalen är samma på alla komparatorer spelar det ingen roll vilken komparator som tilldelas en viss trö skelnivå) .

Fig. 5 är ett diagram som illustrerar timingen av styrsignalerna (Ds och (Dh i A/D-omvandlarsteget i fig. 4. Eftersom krypteringsenheten 24 har tagits bort från terrnometerkodbussen kommer den totala fördröjningen nu att vara: T+T tatal fördröjning = camp m Eftersom komparatorerna fortfarande finns närvarande i omvandlaren kom- mer omvandlingsfördröjningen Tcomp fortfarande att finnas kvar. Användandes 10 15 20 25 30 522 569 7 de belysande fördröjningsvärdena ovan blir det en reducering i fördröjning på mer än 40%. Denna reducering kan användas för att öka den uppnåbara samplingshastigheten.

Fig. 6 illustrerar en belysande krypteringsenhet 24 implementerad som ett butterflynät. I denna utföringsform passerar trösklarna V1-V7 3 omkopp- lingslager som styrs av en krypteringskod (9 bitar i exemplet). Om en kodbit är “låg” ändrar den motsvarande omkopplaren inte signalerna. Ä andra sidan om biten är “hög” kommer omkopplaren att byta ut det motsvarande tröskelparet.

Genom tillhandahållande av olika krypteringskoder på ett pseudoslumpmås- sigt sätt är det möjligt att kombinera omkopplarna i lagren i olika utbytes- kombinationer och därvid implementera “k1yptering” .

Eftersom omvandlaren 22 nu kommer att mottaga en krypterad termometer- kod (i känd teknik var den riktiga termometerkoden tillgänglig) måste den mo- difieras något. En möjlig lösning är att införa en avkrypteringsenhet mellan (den krypterade) termometerkodbussen och omvandlaren 22. Denna avkrypte- ringsenhet kan helt enkelt innefatta samma butterflynät som i fig. 6 men med ombytta ingångs- och utgångssidor. På detta sätt kan samma krypteringskod användas för både krypterings- och den avkiypteringsenheten. De avkrypte- rade signalerna kan då omvandlas till binär form på ett konventionellt sätt.

En annan möjlighet är att implementera omvandlaren 22 som en Wallaceträd- avkodare (se [4]), som illustreras i flg. 7. Wallaceträdet innefattar ett antal sammankopplade fullständiga adderare. Vid den första nivån (övre delen i fig. 7) räknar varje adderare antalet “ettor” vid sin ingång T1-T3 respektive T4-T6 och matar ut ett 2-bitars kodat ord s,c (summa och överföring). Vid den andra nivån adderar ytterligare fullständiga adderare de 2-bitars orden från den fö- regående nivån och adderar även den återstående signalen T7. Detta ger bi- närkoden b2,b1,b0 för en 3-bitars omvandlare.

Fig. 8 illustrerar en annan belysande utföringsform av en termometer- binäromvandlare som är lämpligt att användas i anslutning till den förelig- 10 15 20 25 30 522 569,.I=§f.'f"-.__.-" -= ° .au o. 8 gande uppfinningen. Denna omvandlare är lämplig för en 4-bitars A/ D- subomvandlare. Den 3-bitars omvandlaren i fig. 7 används som en kompo- nent och utgångama från två sådan komponenter kombineras såsom illustre- ras i fig. 8. För högre upplösning kan samma principer, nämligen att sam- mankoppla utgångar från omvandlare med lägre upplösning, upprepas.

Wallaceträdet är således en enkel och kompakt struktur för implementering av termometer-binäromvandling. På grund av trädstrukturen är signalutbred- ningens längd kort. Den kan även lätt göras till pipelinetyp, vilket betyder att den aldrig kommer att vara en hastighetsbegränsande faktor i A/D- omvandlaren.

Kryptering av trösklar orsakar transienter på tröskelkodbussen. Dessa transi- enter behöver viss insvängningstid innan stabila nivåer erhålls. Fig. 9 är ett tidsdiagram som illustrerar insvängningstider för tröskelnivåfel som beror på kryptering. Detta diagram är lärnpligt för en utföringsform i enlighet med fig. 4. I en sådan utföringsform vidarebefordras trösklarna till komparatorerna för direkt jämförelse med den analoga signalen. Komparatorns insignal skulle till exempel kunna innefattar ett differentiellt steg hos en förförstärkare eller en insignal till ett hållelement, vilket företrädesvis är regenerativt. Den övre delen av fig. 9 illustrerar de klockfaser (Ds och (Dh som styr A/ D- respektive D/A- subomvandlaren. Mittendelen av fig. 9 illustrerar en analog signal och den nedre delen illustrerar tröskelinsvängningsfelet efter kryptering. Läsning av komparatorerna utförs vid den fallande kanten hos (Ds. Tröskelkryptering ut- förs kort efter den stigande kanten hos (Dh. Som kan ses från fig. 9 finns mer än en halv klockperiod tillgänglig för krypterad tröskelinsvängning eftersom en krypterad tröskel inte behöver vara stabil förrän nästa låsningstillfälle.

Fig. 10 illustrerar en belysande utföringsform av en komparators ingångssteg som är lämpligt för hantering av differentiella insignaler. I denna utförings- form sarnplas trösklarna på kondensatorer för användning i den nästa klock- fasen. Klockfasema (D82 och (Dhz motsvarar (Ds respektive (Dh, medan (Dm är en något ledande version av (Dh. 10 15 20 25 30 522 569 ø . - . .- Fig. 11 är ett tidsdiagram som illustrerar insvängningstider för tröskelnivåfel som beror på kryptering i utfóringsfonnen i fig. 10. Höga signaler (Dm och (D52 motsvarar kondensatoringångarnas omkopplare i motsvarande betecknade omkopplingstillstånd i ñg. 10. En hög signal 49111 motsvarar stängda (ledande) omkopplare betecknade med n1 i fig. 10. Eftersom trösklarna inte samplas simultant med komparatorlásning ñnns det fortfarande mer än en halv klock- period tillgänglig för tröskelinsvängning. Fastän de krypterade trösklarna så- ledes inte har svängt in än vid tiden för komparatorlåsning (när den analoga signalen jämförs med de tidigare samplade trösklarna) har dessa krypterade trösklar fortfarande nästan en halv klockperiod att insvänga innan de ska samplas vid den nästa fallande kanten hos ribhz.

Den föreliggande uppfinningen begränsas inte till tröskelspänningar som ge- nereras av resistansstegar. Som ett ytterligare exempel illustrerar fig. 12 en utföringsform av en komparators ingångssteg baserat på omkopplad konden- satortröskelgenerering. Figuren illustrerar ingångssteget hos komparator i hos en 3-bitars icke differentiell A/ D-subomvandlare. En adderare adderar en 3- bitars krypteringskod till den 3-bitars representationen av komparatom nummer i, vilken representerar en normaltröskel. Minnesbiten ignoreras i ad- ditionen. Den resulterande signalen, om skild från noll, bildar ett tröskelord Wi, från vilket varje bit styr en motsvarande omkopplare för val av en referens- spänning, antingen Vref+ eller Vfer. Under klockfasen (Dnz vidarebefordras de valda referensspänningarna till en viktad kondensatoruppställning som bildar den krypterade tröskeln. I denna utföringsform åstadkoms kryptering genom cirkulering av normaltröskelkoden (i adderaren) och den pseudoslumpmässiga krypteringskoden bestämmer antalet bitpositioner som cirkuleras. Eftersom ett noll tröskelord motsvarar en tröskelnivå som inte används ersätts en re- sulterande noll kod från adderaren med krypteringskoden (detta åstadkoms av omkopplaren efter adderaren) som är skild från noll (mellan 1 och 7 i den illu- strerade utföringsformen). Anledningen till detta val är att inget tröskelord från adderaren kommer att innefatta krypteringskoden eftersom detta skulle medföra att tröskelordet 000 hade adderats, vilket inte är ett giltigt normal- 10 15 20 25 30 522 569 - a - Q I o _ . _ ._ 10 tröskelord (tröskelord varierar mellan 1 och 7 i den illustrerade utföringsfor- men).

Fig. 13 illustrerar en belysande utföringsform av ett steg i en A/ D-omvandlare av multibitars delta-sigmatyp konfigurerad i enlighet med den föreliggande uppfinningen. Den illustrerade utföringsformen är en tidskontinuerlig A/D- omvandlare av multibitars delta-sigmatyp med ett tidkontinuerligt filter 21, typiskt sett en integrator för implementering av en lågpass delta- sigmaomvandlare och klockade komparatorer och D / A-subomvandlare.

Det är även möjligt att implementera en tidsdiskret omvandlare, till exempel genom implementering av integratom som ett omkopplat kondensatorfilter och genom att ha tidskontinuerliga (icke klockade) komparatorer och D / A- subomvandlare. I detta fall kommer (Ds och (Dh att styra integratorn istället.

Fig. 14 är ett flödesdiagram som illustrerar förfarandet i enlighet med den fö- religgande uppfinningen. Steg S1 representerar början på en ny sampelperiod- Steg S2 krypterar tröskelnivåerna. Steg S3 samplar den analoga insignalen med krypterade komparatortrösklar. Steg S4 omvandlar den resulterande krypterade termometerkoden till binärkod. Förfarandet återvänder därefter till steget S1 för den nästa sampelperioden.

I beskrivningen ovan modifierades A/ D-subomvandlarens komparatortrösklar för implementering av kryptering av termometerkoden utanför termometer- kodbussen. Ett alternativ skulle vara att modifiera (kompensera) den analoga insignalen till varje komparator. Ännu en annan möjlighet skulle vara att ju- stera komparatorernas inre kompenseringar.

Den föreliggande uppfinningen möjliggör randomisering av D / A- subomvandlarfel utan att införa något hastighetsstraff eller straff i dynamiskt område. Genom randomisering av felen utfaller sådana fel i A/D-omvandling som brus snarare än som distorsion och intermodulering. Detta är en mycket stor fördel i de flesta radiosystem men även i många andra tillämpningar. 522 569 o ~ ø - n n n , ' . __ 11 Uppfinningen kan användas antingen ensam eller som ett komplement till ka- librering för A/ D-omvandlare med hög prestanda.

Fackmannen inser att olika modifieringar och förändringar kan göras vid den föreliggande uppfinningen utan avvikelse från dess ram, som definieras av de bifogade patentkraven. 10 15 20 [1] [2] [3] [4] 522 569 12 REFERENSER Ian Galton, “Digital Cancellation of D/A Converter Noise in Pipelined A/ D Converters,” IEEE Transactions on Circuits and Systems-II: Ana- log and Digital Signal Processing, vol. 47, nr. 3, mars 2000.

Todd L. Brooks, David H. Robertson, Daniel F. Kelly, Anthony Del Muro, och Stephen W. Harston, “A Cascaded Sigma-Delta Pipeline A / D Converter with 1.25 MHz Signal Bandwidth and 89 dB SNR,” IEEE Journal of Solid- State Circuits, vol. 32, nr. 12, december 1997.

P. Rombouts och L. Weyten, “Dynamic element matching for pipelined A/ D conversion,” 1998 IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems. Surfing the Waves of Science and technology, vol. 2, 7-9 september 1998, Portugal.

F. Kaess, R. Kanan, B. Hochet och M. Declercq, “New Encoding Sche- me for High-Speed Flash ADCs”, 1997 IEEE International Symposium on Circuits and Systems, juni 9-12, 1997, Hong Kong.

Claims (16)

10 15 20 25 30 522 569 « . . - . . - . v - f ~ 1 v 13 PATENTKRAV

1. Förfarande för dynamisk elementanpassning för en D/A-subomvandlare hos ett A / D-omvandlarsteg, kännetecknat av styrning av en A/D-subomvandlares komparatorer för generering av krypterad termometerkod, och avkryptering av den krypterade termometerkoden innan termometer- binärkodomvandling.

2. Förfarande enligt patentkrav 1, kännetecknat av modifiering av kompa- ratortrösklar för generering av den krypterade termometerkoden.

3. Förfarande enligt patentkrav 1 eller 2, kännetecknat av en Wallacetrâd- avkodning för termometer-binärkodomvandling av den krypterade termome- terkoden.

4. Apparat för dynamisk elementanpassning i en D /A-subomvandlare hos ett A/D-omvandlarsteg, kännetecknad av organ (24) för styrning av en A/D-subomvandlares komparatorer för generering av krypterad termometerkod, och organ för avkryptering av den krypterade termometerkoden innan ter- mometer-binärkodomvandling.

5. Apparat enligt patentkrav 4, kännetecknad av organ (24) för modifiering av komparatortrösklar för generering av den krypterade termometerkoden.

6. Apparat enligt patentkrav 4 eller 5, kännetecknad av ett Wallaceträd för termometer-binärkodomvandling av den krypterade termometerkoden.

7. A/D-omvandlarsteg innefattandes en A/ D-subomvandlare, kännetecknat RV organ (24) för styrning av A/D-subomvandlarens komparatorer för ge- nerering av krypterad termometerkod, och 10 15 20 25 30 522 569 vara: s."=":= ="=-::- ="=s._s-.-= M , ,,.. . .. . ,, organ för avkryptering av den krypterade termometerkoden innan ter- mometer-binärkodomvandling.

8. A/D-omvandlarsteg enligt patentkrav 7, kännetecknat av organ (24) för modifiering av komparatortrösklar för generering av den krypterade termo- meterkoden.

9. A/D-omvandlarsteg enligt patentkrav 7 eller 8, kännetecknat av ett Wal- lacetrâd för termometer-binärkodomvandling av den krypterade termometer- koden.

10. Multistegs A/D-omvandlare innefattandes organ för dynamisk element- anpassning, kännetecknad av organ (24) för styrning av A/D-subomvandlares komparatorer för ge- nerering av krypterad termometerkod, och organ för avkryptering av den krypterade termometerkoden innan ter- mometer-binärkodomvandling.

11. A/D-omvandlare enligt patentkrav 10, kännetecknad av organ (24) för modifiering av komparatortrösklar för generering av den krypterade termo- meterkoden.

12. A/D-omvandlare enligt patentkrav 10 eller ll, kännetecknad av ett Wallaceträd för termometer-binärkodomvandling av den krypterade termo- meterkoden.

13. A/D-omvandlare enligt något av patentkraven 10-12, kännetecknad av att A/D-omvandlaren är en A/D-omvandlare av pipelinetyp.

14. A/D-omvandlare enligt något av patentkraven 10-12, kännetecknad av att A / D-omvandlaren år en cyklisk A / D-omvandlare. 522 569 /5

15. A/ D-omvandlare enligt något av patentkraven 10-12, kännetecknad av att A/ D-omvandlaren år en A/ D-omvandlare av sub-rangingtyp.

16. A/ D-omvandlare enligt något av patentkraven 10-12, kännetecknad av att A/ D-omvandlaren år en A/ D-omvandlare av multibitars delta-sigmatyp.