TWI270255B

TWI270255B - Comparator offset calibration for A/D converters

Info

Publication number: TWI270255B
Application number: TW091106646A
Authority: TW
Inventors: Bengt Erik Jonsson; Christer Alf Jansson
Original assignee: Ericsson Telefon Ab L M
Priority date: 2002-02-13
Filing date: 2002-04-02
Publication date: 2007-01-01
Also published as: SE520316C2; SE0200435L; SE0200435D0

Description

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五、發明説明（技術範圍本發明係關於類比至數位轉換器’尤其是關於如何改良此種轉換器位元階層決策之準確度。背景按一高速類比/數位轉換器，其比較器之響應時間必須極短。因此期望有-簡單比較器電路以便減短其固有之傳播延遲'然而’簡單比較器電路典型上由於比較器之偏差誤差具有較低準確度”匕可使其並不適於高解析度之A，。轉換器。嚴謹之電路及規劃設計係低偏差比較器之首要關鍵處。因在製造過程分解内之隨機變化含發生欠匹配。一項熟知之事實是：小型裝置對此等隨機誤差係更靈敏，且增加實體大小可改良匹配Π]。然而，#大組成件實體大小之缺點為：此通常可導致功率消耗之增加。此係像電容性感性組成件之調整與諸如MOS電晶體之有效組成件之調整，兩者均屬真實。即使當功率消耗並非成一問題時，但對一能達到的準確度含有一實質上的限制。藉研究公開之文獻’ 似乎一謹慎設計之比較器確可提供一等於3_4位元之精密度。一減少比較咨偏差效應之廣泛使用方法係配置一前置放大器在比較器前面。假定前置放大器之偏差是顯著少於比較器偏差，現在可藉前置放大器[丨]之增益衰減比較器偏爰之效應。然而，因增加一前置放大器，比較器之響應時間含隨前置放大器之傳播延遲而增長。此項增長響應時間 __ -4- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 1270255 A7 B7 五、發明説明（2 ) " --- — 令顯著減少能達成之選樣率。 W、經顯7F對在管路A/D轉換器内a/d次轉換器決策階層之數位改正可使用冗餘度。一種普遍方法是讓每一管路級之仏戒範圍重$前級為1_ b (亦即二之因數）。然後A / D次轉換咨抵需要對級分解[2 ]係準確。然而，因額外需求極短傳播延遲在如高速管路A / D轉換器内，即令一 4或5-位元之快閃A / D轉換器即很難以實施。因之製造產量就變得很低。，藉改又基準強度或藉增加一”反偏差，，於基準電壓上即能減少比較器偏差之影響。以下說明兩種先前技藝之解決方法。兩種方法可變更實際加於比較器上之基準電壓。在[3 ]内所述之”基準分接頭"方法係假定隨機偏差變動係大於電壓基準階層！ LSB。藉試用少數鄰近電壓基準分接 >員即發現可提供最少偏差之分接頭。雖概念上是簡單，但此方法有缺點，即僅可校準偏差至基準階層之+m lbs& 内。此可足夠供一獨iL之快閃A / D轉換器用，但當使用快閃A/D轉換器為一次轉換器時，例如在一管路a/d轉換哭，乃希望有一比較器偏差之更準確補償，因為一比必要較高之比較器準確度可改良許多實際實施内之全盤性能。、，在[4, 5]内所述之”反偏差電壓”法可周密地施加一副偏差電壓，Va，以平衡比較器電路之固有偏差。可使用一包括一向上/向下計數器和一切換電容器網路之反饋迴路以搜索，與施加’適當之副偏差電壓。本方法之缺點係在一電容器上會儲存可取消比較器偏差之副偏差電塵（或配平 -5- 1270255 A7

電壓)Va。因此配平電壓需要定例之間，所儲存之電壓對可 '新。在此種更新實此方法對校準中之又儲存兒壓之閃光係很敏感。生一被儲存之不完善配平兩茂廿^為、刀換〈瞬變現象可產 -% ^並使用於整個更新循環期間。發明概要

本發明之目的係在改善A 沒有先前技藝+、&铃換。。内又比較器準確性而利後果。缺點’特別是没有顯著速度之不依據所附申嗜皇 μ 士、目專利軏圍即可達成此目的。簡&又’本發明可校準。之輸出可輕+ Λ 内較态跳位點（其中比較器〜籼Κ』轉換由〇至1 )以補償比整比較器，故未引、佳1认、A "时偏差。因内部即可調單之比較哭即可與^〈播延遲。此即表示以十分簡小之校正步驟即可能庐得其古、μ另万面，精使用夠 |』把後仔甚鬲 < 比較器準確度。 _ 附圖簡述藉參考以下所作說明連同進-步目的與優點，其中： τ瑕佳了解本發明及其圖1係一典型管路A/D轉換器之方塊圖；圖2係圖1内A/D轉換器典型級之方塊圖，圖3係管路路A/D轉換器級内—比較器陣列之方塊圖；广係按照本發明包括-校準系統典型實施例之A/D轉換器級的方塊圖；圖5係說明按照本發明用以校準比較器之斜面信號示圖；圖6係說明當斜面信號增加時其中—個比較器之校正信 -6- 1270255 五發明説明 A7 B7 號作用情況圖；圖7係說明書當斜面信號增加時其中— 號之作用情況圖；、—個比較器輸出信圖8係說明當斜面信號增加時第二比、用情況圖；文°。之校準信號作圖9係說明當斜面信號增加時第二比。用情況圖； X态 < 較出信號作方法之一血型實例之流圖1 0係說明按照本發明偏差校準程圖；改良式差動非線性（DNL) 圖1 1係說明由本發明所獲得之之示圖；圖12係沒有校準之A/D次轉換器的測量功率頻譜；與圖1 3係按照本發明所校正之A/D轉換器之測量功率頻譜。發明詳細說明桉以下說明對相同或相似元件係使用相同參考名稱。以下沆明係过明本發明並參考一管線A / D轉換器。然而可了解本發明並非限於管線A / D轉換器設計。它亦同樣係適用於使用快閃A / D轉換器為一建構區塊之任何設計。此種設計之範例是多位元△_ Σ，次分類，摺疊，與獨立之快閃A / D轉換器。圖1係典型管線A / D轉換器之方塊圖。一 N -位元類比至數位轉換器係在兩級或更多級内完成，每級擷取由數位字元d2...dK}所代表之資訊{Νι，Ν2···ΝΚ}位元，其中K係管線之級數。第一管線數可擷取使用一 Ν ,-位元A / D次轉換本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 1270255 五、發明説明（5 W 1〇〜N 1最有效位元。然後藉使用D / A次轉換器1 2和一力減1 4自類比輸入信號Vin減去估計值，留下包含為擷取較少、t ^ / ” > 乂疋斤必需資訊之餘剩值。通常此餘剩值係由曰皿G 1之放大器1 6予以放大以建立管線級2之適當信號庫反|^| 考、已。寸所有κ級均可重複此等步驟，但最後管線級除外，^匕矣及Τ & 方 At , 、’ 而座生一類比輸出且因此沒有D / A轉換器，加減器或放士 σ 口、 7 , 备’但衹有一 A / D轉換器1 〇。然後聯合數位字元 Wi，d2...dK}以形成在時間校準之機組丨8内之數位輸出字元與A/D次轉換器資料之數位改正。為簡化以下說明，茲假定A / D轉換器級具有3位元之解析度。此數目係夠小足以能予管理，但亦夠大足以闡明一 ’、土 ^ ’兄之重要特徵。據了解一般情形位元數目是可以較大此特别疋單級快閃A / D轉換器之情況如此，因之轉換器典型上可有高達10位元之解析。圖2係圖i之A / D轉換器典型級之方塊圖。A / 〇之轉換器 1 〇包括眾多比較器COMP1-COMP7。每一比較器之一個輸入端係連接至一相應之基準電壓REF1-REF7。藉基準信號產生备2 0内旯全基準電壓之電阻性電容性除法即能產生此 ¥基準電壓。每一比較器之其他輸入端可接收類比輸入信號（至每一比較器之相同信號）。由比較器之輸出信號TH i _ TH7可集合形成按溫度表代碼之數位化值。此等信號在一溫度表代碼匯流排上轉送此等信號至D / a次轉換器1 2，其中將其變換成一相應之類比值。由加減器丨4内之原始類比值減去此值’且餘剩信號係由增益元件[6内之一增益等於 -8 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公董） 1270255 五、發明説明（6 4加以放大。圖3係管線A/D轉換器級内比較器陣列方塊圖。在此— ::器内需要閃鎖位元階層決策，如此在其係由内部D/a ，使用期間内此等決策並未改變。一流行方法是使用木種再生f-Ι鎖。此種再生閃鎖具有比較器之完全功能性，且:，能將其照此使用，雖然其偏差〇ffi_〇ff7是相當高 ’=常大於在兩相鄰基準電壓REF1. REF7間之差異電= 此辛偏產主要是由於裝置欠匹配與寄生欠匹配，致引起閃鎖/比較器發生有效跳位點而自其理想值(典型上為〇 ”移動。然而。本發明係'適㈣更多普通比較ε，雖然按此規格由一再生閂鎖可例證一簡單比較器。圖4係按照本發明一校準裝置之典型實施例。本發明藉校準A/D次轉換器跳位點以補償比較解^ 問題。修改比較器電路如此可由一控制電壓(或糊 V—CAL1-V一CAL7能調整其在跳位點週圍之平衡。在[6]内說明此一比較器之實例。經由專屬之校準d/a轉換器 DAC1-DAC7可施加控制電壓。每一校準D/a轉換器可接收其來自儲存偏差校準值CAL1-CAL7之-相應暫存器狀⑴· REG7之數位輸入代碼。可選擇校準D/A轉換器da(：i· DAC7之全面範圍以使其夠大足以平衡在所望偏差範圍以内之任一偏差。最低電壓V_CAL/，ζ=1·.·7，應可保證··比較器輸出係全為0 (或1，此視是否使用”正，，或，，負，，邏輯而定）’同時最高電壓V—CAL/之在輸出處應保證為[(或〇)。按照最大可接受之比較器偏差剩餘可選擇校準D / Α轉換器 DAC卜DAC7之解析。 ____——_-9- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(21〇X 297公釐〉 1270255 五、發明説明（ ^由陣”所有比較器Cqmm_cqmp7所共用之即可起始並控制-校準序列。為便說明，以下鬧 T序列（在圖4内冒由圓點指示某些比較器級以 ?系圖之可讀性）：曰k 1 .連接與每—比較器相聯合之基準電壓REF/，卜〖...7，一幻比軚态〈正與負兩種輸入。因為比較器之隨機偏差 OFF 1 ’OFF7 ’輸出位元TH 1-ΤΗ7係隨機地為〇或}此視f 〇FF7之符號而定。 b 2.校正控制器CCU可寫出代碼MIN (典型上為〇)至—斜面代碼匯流排上。同時迫使所有暫存器REG1-REG7以儲存此令代碼’因而使每一比較器之平衡起變化，結果所有暫 =器都有一零輸出。因施加一 F〇RCE write (強迫寫出）信號至可控制至相應暫存器REG/寫出纟一邏輯問極l⑽即可冗成此工作。 3 .設定一 ENABLE—WRiTE (致能寫出）信號至丁_ (真實）。如圖5 - 9所π藉使匯流排代碼有斜面由min (最小）至 MAX (最大）對所有比較器可同時發現該跳位點，且因此發現偏差校準值CAL/，/=1...7。 Λ 4.只，WRITEZ = 丁RUE ’即可儲存每一新匯流排代碼在相應暫存器R£G/’内’且因此亦使校準之D/A轉換器輸出電壓 V 一 CAL/為斜面，如各別對v—CAL%V—cal5在圖6及8内所示。

5 .最後，由每一比較器之比較器輸出TH/會改變由〇至1 。相應邂輯閘極LOG/可檢測出此值且可設定WRiTE/==FALsE -10- 本紙强尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(2i〇X297公着） 1270255 五、發明説明（8 (寫出丨=假），此可防止新代碼被因之現行斜代《流排值CAU即：：主來“ REG，上1。準值。 LAU即變成比較器之數位偏差校中6某】流？：碼可繼續5斜面高細(圖”。在此斜面比浐二反=個別比軚益含檢測及儲存如圖7及9所示曾使。/ 由〇至丨之代碼值(因為，如上述，可選擇校準〇/八轉換器1：)八(：1-]：)八(：7之在所望偏差範圍以内之任―偏二圍如此使其夠大足以平衡 ”丨0之流程圖表内可概述本方法。步驟可連接比内每一比較器C0MP1-C0MP7之兩輸入端至共同 2篆壓（其中對每_比較器係、不同）以迫使每—比較器至 -：疋明確之輸出狀態，例如符合邏輯狀態0之一種狀態。步驟S2可設定斜面代碼至Mm (最小)且可儲存此值在每 -比較器之暫存器REG1.REG7内。步驟“可使寫出至所有曰mEG1-REG7致能。步驟S4可增加斜面代碼一個步驟且可舄出新值在所有寫出致能暫存器内。步驟35可測驗是否任—輸出線路THbTH?曾改變狀態（至邏⑴）。若然，相應暫存器（或諸暫存器）係按步驟以所保護之寫出，且此後此程序即進行至步驟S7。若輸出未改變，則程序即直接由步驟S5進行至步驟S7。步驟S7可測試是否所有比較器輸出曾改變狀態。若，然’則校準在步㈣完成。否則，程序回復至步驟S 4以增加斜面代碼並寫出新值在剩除之寫出致能暫存器内。如上述，可選擇校準D/A轉換器DAC1_DAC7之全部範圍 -11 - I紙張尺度適用t S S家鮮(CNS) A4規格(210 X 297公I)— 1270255 A7

1270255 A7 ________B7 五、發明説明（1〇 ) 數有變化情況且因此在影響比較器偏差之應用方面。、上述校準方法可執行並聯之—個A/D轉換器級之所有比較器校準。然而藉使用一共同校準控制器與斜面代碼匯流排亦可能同時執行所有各級之校準。另—方面’亦可能在不同時間點個別校準每一比較器之跳位點。匕而且，過去假定調整信號為直線性（斜面信號）。然而，亦有可能使用非直線性但沒有變化”斜面，，信號，諸=部份正弦信號，多項信號等。事實上，信號之形狀並不重要，只要在第一次產生較小值以前並未產生—較大信號值（假定信號自Μ I N變至M A X )。現參閱圖1 1 - 1 3來說明由本發明所獲得之性能改良。圖1 [顯示按照本發明在校準前後一管路A/D轉換器之第一 5 -b A/D次轉換器差動非直線性（DN；L)(茲假定比較器在兩種情況處均係簡單高速比較器）。由直水平線亦可指示對正確操作，亦熟知為輻合限度，所容許之最大dnl 5 LSB)。據了解沒有校準，DNL誤差大大超過符合限度。.沒有校準，可減少D N L至恰好是在符合限度以内之+/ _ 〇 2 LSB之下。圖1 2係一正弦信號之測量功率頻譜。此正弦信號有用以產生圖1 1由A / D次轉換器裝設在30 MHz選擇率處所選樣之 2 MHz頻率，且沒有校準。因為a/D次轉換器誤差超過〇·5 LSB之符合限度，故頻譜係嚴重失真。可估計π混附自由動力範圍’，（SFDR)至約35 dB。圖1 3係與圖1 2相同信號之測量功率頻譜，但有依據本 -13 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐） 1270255 A7 B7 五、發明説明（11 ) 發明所校準之A / D次轉換器。在校準以後，a / D次轉換器誤差係恰好在符合限度以下’且估計SFDR至約％ dB，約有60 dB改善。上述方法之替用法係讓代碼斜面由最高值變至最低值而非由最低值變至最高值。而且，若有理由相信斜面之不同方向可產生不同校準係數值則可使用向上/向下代碼斜面之組合。若内部雜音 =度高’則比較器改變狀態太早之可能性合增加。然後一又·斗面法可產生一更確準之結果。接此情況校準係數係在向上與向下校準係數間之平均數。減少雜音及閃爍影響之另一方法係在運行幾種校準序列 ’且取估計係數之平均值。凡當電路㈣電力了降時亦有可能外部儲存偏差或校公係數且在啟始時再將其載入電路内。本發明之主要優點：它可容許待使用之較簡單比較器月 /D次轉換器作為在快閃A/D轉換器或D/A轉換器户 j構區塊。藉免除需要一個或多個緩衝器級，可減" 較器之傳播延遲，且因而能辦能有持續之準確度。Μ加料率1照本發明仏數ΠΓ較佳實例包括一數位校準法，其中可代表並;‘:二偏聽率值。經由數位校準係數所控制之專射 :严二TP可施加類比校準電壓。因此，不需麵二Ί 且經電路由傳播之閃燦電流及瞬變電3水久改變施加校準電壓，爍電流發生，校马 -14

裝訂

k 1270255 A7 B7 五、發明説明（12 ) 恢復正確輸數位法，諸少偶然之閃及變更而沒 D / A轉換器可當作一數位控制之電壓源，迅速出電壓。類比校準法在校準中對閃爍電流亦靈敏。按如本發明，可使用估計校準係數之平均值以減爍電流之效應，以及永久雜音環境之效應。精於工藝人員都了解可對本發明作不同修改有背離其由所附申請專利之範圍。 -15- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格（210 X 297公釐） 1270255 A7 _B7_ 五、發明説明（13 ) 參考文件 [1] P. E. Allen, D. R. Holberg, CMOS Analog Circuit Design, Holt, Rinehart and Winston, 1987.

[2] S. H. Lewis, and P. R. Gray, MA Pipelined 5-Msample/s 9-bit Analog-to-Digital Converter’’，IEEE J. Solid-State Circ·，pp. 954-961，Vol. SC-22, No. 12, Dec 1987, IEEE· [3] G. F. Gross, Jr., T. R. Viswanathan, ’’Comparator-Offset Compensating Converter丨’，US Pat. 5.696.508.

[4] R. Croman, M. Goldenberg, J. P. Hein, "Method and Circuit for Cali-bration of Flash Analog to Digital Converters’’，US Pat· 5.990.8 14.

[5] Μ, M. Kostelnik, R. Croman, M. Goldenberg, "Offset Calibration of Flash ADC Array’丨，US Pat. 6.084.538.

[6] Zigang Gu and W，Martin Snelgrove, MA Novel Self-Calibrating Scheme For Video-Rate 2-Step Flash Analog-to-Digital Converter”，IEEE International Symposium on Circuits and Systems, Vol. 4, pp. 601-604, 1992. _- 16 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）

Claims

•—種類比/數位轉換器之比較器偏差校準方法，包括步驟對比&器陣列内每_比較器提供—共同基準信號給兩比較器輸入端；迨使硌陣列内每一比較器成為相同預定邏輯輸出狀態；對孩陣列内每一比較器調整比較器跳位點直至使邏輯輸出狀態反向為止；及 9由一共同斜面信號同時調整該陣列内所有比較器。，吻專利範圍第1項之方法，包括一沒有變化之改變信號來調整每一比較器跳位點之步驟。 3·如申請專利範圍第!項之方法，包括對該陣列内每一比較益數位/類比轉換一數位斜面信號成為—類比跳位點調整信號之步驟。 4·=申請專利範圍第3項之方法，包括對該陣列内每一比較器儲存代表可使其邏輯輸出狀態反向之數位斜面信號值的一偏差校準係數之步驟。 I如申請專利範圍第3項之方法’包括—步驟：對該陣列内每-比較器儲存代表可使其邏輯輸出狀態反向之增加數位斜面信號值與可使其邏輯輸出㈣反向之減少數位斜面信號值之平均數的一偏差校準係數。 6.如申請專利範圍第3項之方法，包括以下諸步驟：對該陣列内每一比較器’重複該調整步驟；及對該陣列内每一比較器，儲存代表可使其邏輯輸出

A B c D 1270255 七、申請專利範圍狀·?I反向之幾種數位斜面信號值之平均數的一偏差校準係數。二九 7. 如前述申請專利範圍第4_6項中任一項之方法，包括一步驟·對孩陣列内每一比較器，外部儲存在類比/數位轉換器啟動時在爾後擷取之類比/數位轉換器電力下降處之該偏差校準值。 ~ 8. —種類比/數位轉換器之比較器偏差校準系統，包括對比較器陣列内每一比較器，提供一共用基準信號給兩比較器輸入端之裝置；迫使該陣列内每一比較器成為相同預定邏輯輸出狀態之裝置；對該陣列内每一比較器，調整比較器跳位點直至邏輯輸出狀態係反向為止之裝置；及藉由一共同斜面信號來同時調整該陣列内之所有比器之裝置。 9·如申請專利範圍第8項之系統，包括由一無變化之改變信號來調整每一比較器跳位點之裝置。 10. 如申請專利範圍第8項之系統’包括對該陣列内之每一比較器，校準數位/類比轉換一數位斜面信號成為—類比跳位點調整信號之數位/類比轉換器。 11. 如申請專利範圍第1G項之，系統，包括對該陣列内之每— 比較器、’儲存代表可使其邏輯輸出狀態反向之數位斜面 4吕號值之一偏差杈準係數的暫存器。 .如申請專利範圍第10項之系統，包括對該陣列内之每一 -2 - 1270255 会! C8 ________D8_ 六、申請專利範園比較器’能儲存代表可使其邏輯輸出狀態反向之增加數位斜面信號值與可使其邏輯輸出狀態反向之減少數位斜面信號之平均數的偏差校準係數。 13·如申請專利範圍第1 0項之系統，包括對該陣列内之每一比較器，重複該調整步驟之裝置 ;及暫存器對該陣列内之每一比較器，供儲存代表可使其邏輯輸出狀態反向之幾種數位斜面信號值平均數之一偏差校準係數。 14·如前述申請專利範圍第u_13項中任一項之系統，包括對孩陣列内之每一比較器，外部儲存在類比/數位轉換器開始運作時爾後擷取在類比/數位轉換器電力下降處之該偏差校準值的裝置。 15· —種數位/類比轉換器，包括一類比信號快閃類比/數位轉換之至少一個比較器陣列，包括對該陣列内之每一比較器，提供一共同基準信號給兩比較器輸入端之裝置；迫使該陣列内每一比較器成為相同預定邏輯輸出狀態之裝置；。對該陣列内每一比較器’調整比較器跳位點直至邏輯幸則出狀悲係反向為止之裝置；及藉由-共用斜面信號來同時調整該陣列内之所有比器之裝置。 16·如申請專利範圍第15項之轉換器，包括由一無變化之變 -3 -

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更信號來碉整每一比較器跳位點之裝置。汽：申請專利範圍第15項之轉換器，包括對該陣列内之每 :比較器，校準數位/類比轉換—數位斜面信號成為一類比跳位凋整信號之數位/類比轉換器。 =申請專利範圍第17項之轉換器，包括暫存器用以對該陣列内〈每一比較器儲存代表可使其邏輯輸出狀態反向 <數位斜面信號值之一偏差校準係數。仪如申請專利範圍第17項之轉換器，包括暫存器用以對該陣列内之每-比較器儲存代表可使其邏輯輸出狀態反向 <增加數位斜面信號值與可使其邏輯輸出狀態反向之減少數位斜面信號值平均數之一偏差校準係數。 20·如申請專利範圍第17項之轉換器，包括對該陣列内之每一比較器，供重複該調整步驟之裝置；及口對孩陣列内之每一比較器，供儲存所代表可使其邏輯輸出狀態反向之幾種數位斜面信號值之平均數的一偏差校準係數。 21. 如前述申請專利範圍第18-20項中任一項之轉換器，包括一裝置，供對該陣列内之每一比較器，外部儲存在類比/數位比較器開始運作時因爾後擴取在類比/數位轉換器電力下降處之該偏差校準值。 22. 如申請專利範圍第1 5項之轉換器，其中該陣列内之比較器包括再生閂鎖。 4- 本紙張尺度哪）Α4祕(210X297公釐)