專利名稱：電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的差模誤差校準(zhǔn)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的非理想特性的校準(zhǔn)實現(xiàn)電路，尤其涉及一種電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中差模誤差的校準(zhǔn)電路。
背景技術(shù)：
隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展，電子系統(tǒng)的數(shù)字化和集成化是必然趨勢。然 而現(xiàn)實中的信號大都是連續(xù)變化的模擬量，需經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號方可輸入到數(shù)字 系統(tǒng)中進(jìn)行處理和控制，因而模數(shù)轉(zhuǎn)換器在未來的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中是不可或缺的組成部 分。在寬帶通信、數(shù)字高清電視和雷達(dá)等應(yīng)用領(lǐng)域，系統(tǒng)要求模數(shù)轉(zhuǎn)換器同時具有非常高的 采樣速率和分辨率。這些應(yīng)用領(lǐng)域的便攜式終端產(chǎn)品對于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的要求不僅要高采樣 速率和高分辨率，其功耗還應(yīng)該最小化。目前，能夠同時實現(xiàn)高采樣速率和高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)為流水線結(jié)構(gòu)模數(shù) 轉(zhuǎn)換器。流水線結(jié)構(gòu)是一種多級的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，每一級使用低精度的基本結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器， 輸入信號經(jīng)過逐級的處理，最后由每級的結(jié)果組合生成高精度的輸出。其基本思想就是把 總體上要求的轉(zhuǎn)換精度平均分配到每一級，每一級的轉(zhuǎn)換結(jié)果合并在一起可以得到最終的 轉(zhuǎn)換結(jié)果。由于流水線結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以在速度、功耗和芯片面積上實現(xiàn)最好的折中，因 此在實現(xiàn)較高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換時仍然能保持較高的速度和較低的功耗?，F(xiàn)有比較成熟的實現(xiàn)流水線結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的方式是基于開關(guān)電容技術(shù)的流水 線結(jié)構(gòu)?；谠摷夹g(shù)的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中采樣保持電路和各個子級電路的工作也都必須 使用高增益和寬帶寬的運算放大器。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的速度和處理精度取決于所使用高增益和 超寬帶寬的運算放大器負(fù)反饋的建立速度和精度。因此該類流水線結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計的 核心是所使用高增益和超寬帶寬的運算放大器的設(shè)計。這些高增益和寬帶寬運算放大器的 使用限制了開關(guān)電容流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的速度和精度，成為該類模數(shù)轉(zhuǎn)換器性能提高的主 要限制瓶頸，并且精度不變的情況下模數(shù)轉(zhuǎn)換器功耗水平隨速度的提高呈直線上升趨勢。 要降低基于開關(guān)電容電路的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的功耗水平，最直接的方法就是減少或者消 去高增益和超寬帶寬的運算放大器的使用。電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器就是一種不使用高增益和超寬帶寬的運算放大器的 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有低功耗特性同時又能實現(xiàn)高速度和高精度。電荷耦合 流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用電荷耦合信號處理技術(shù)。電路中，信號以電荷包的形式表示，電荷 包的大小代表不同大小的信號量，不同大小的電荷包在不同存儲節(jié)點間的存儲、傳輸、加/ 減、比較等處理實現(xiàn)信號處理功能。通過采用周期性的時鐘來驅(qū)動控制不同大小的電荷包 在不同存儲節(jié)點間的信號處理便可以實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。一個電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器通常包括以下模塊(1) 一個電荷耦合采樣保持 電路，其用于將模擬輸入電壓轉(zhuǎn)換成對應(yīng)大小成比例的電荷包，并將電荷包傳輸給第一級 子級電路；(2) N級基于電荷耦合信號處理技術(shù)的子級流水線電路，其用于對采樣得到的電 荷包進(jìn)行各種處理完成模數(shù)轉(zhuǎn)換和余量放大，并將每一個子級電路的輸出數(shù)字碼輸入到延時同步寄存器，且每一個子級電路輸出的電荷包進(jìn)入下一級重復(fù)上述過程；(3)最后一級 (第N+1級)電荷耦合子級流水線電路，其將第N級傳輸過來的電荷包重新轉(zhuǎn)換成電壓信 號，并進(jìn)行最后一級的模數(shù)轉(zhuǎn)換工作，并將本級電路的輸出數(shù)字碼輸入到延時同步寄存器， 該級電路只完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，不進(jìn)行余量放大；(4)延時同步寄存器，其用于對每個子流水級 輸出的數(shù)字碼進(jìn)行延時對準(zhǔn)，并將對齊的數(shù)字碼輸入到數(shù)字校正模塊；(5)數(shù)字校正電路 模塊，其用于接收同步寄存器的輸出數(shù)字碼，將接收的數(shù)字碼進(jìn)行移位相加，以得到模數(shù)轉(zhuǎn) 換器數(shù)字輸出碼；(6)時鐘信號產(chǎn)生電路，其用于提供前述所有電路模塊工作需要的時鐘 信號；(7)基準(zhǔn)信號產(chǎn)生電路，其用于提供前述所有電路模塊工作需要的基準(zhǔn)信號和偏置 信號。對于采用全差分結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器來說，信號處理在兩個互 補的正、負(fù)信號處理通路上同步進(jìn)行，最后以兩個信號通道處理結(jié)果的差值作為最終處理 結(jié)果。輸入電壓信號首先轉(zhuǎn)換為全差分形式的兩個電荷包，分別供正、負(fù)信號處理通路處理 量化，最后得到量化輸出結(jié)果。采用全差分結(jié)構(gòu)進(jìn)行信號處理具有非常強的抗共模干擾特 性，并且可以使輸入信號范圍擴(kuò)大為單端形式的兩倍。然而要實現(xiàn)全差分結(jié)構(gòu)信號處理電 路的高性能，其進(jìn)行信號處理的正、負(fù)信號處理通路必須嚴(yán)格對稱。在現(xiàn)有的CMOS工藝條 件下，由于工藝波動隨機性以及其他各類非理性因素的存在，所實現(xiàn)的正、負(fù)信號處理通路 不能嚴(yán)格對稱，而是存在一定的差模誤差。對于精度在10位以下的電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn) 換器來說，現(xiàn)有CMOS工藝的工藝波動帶來的元器件失配差模誤差可以忽略不計。對于精度 達(dá)10位以上的電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，現(xiàn)有工藝條件帶來的元器件失配差模誤差將 不能忽略。因此要實現(xiàn)精度10位以上的全差分結(jié)構(gòu)高精度電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，必 須提供一種對其正、負(fù)信號處理通路中元器件失配所帶來的差模誤差進(jìn)行校準(zhǔn)的電路，以 克服各種非理想特性所帶來的元器件失配差模誤差對電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器精度的 限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種對全差分結(jié)構(gòu)電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中正、負(fù)信號處理通路間元器件失配所帶來的差模誤差進(jìn)行校準(zhǔn)的電路。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的差模誤差校準(zhǔn)電 路包括差模誤差檢測模塊、誤差量化模塊、誤差糾正模塊和控制器模塊；所述差模誤差檢測 模塊用于根據(jù)校準(zhǔn)基準(zhǔn)信號產(chǎn)生差模誤差；誤差量化模塊用于將所述差模誤差進(jìn)行量化； 控制器模塊用于控制整個差模誤差校準(zhǔn)電路的工作，提供差模誤差檢測模塊工作所需要的 校準(zhǔn)碼，并對誤差量化模塊的量化結(jié)果進(jìn)行處理產(chǎn)生誤差糾正模塊工作所需要的糾錯碼； 誤差糾正模塊根據(jù)所述糾錯碼對全差分結(jié)構(gòu)電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中正、負(fù)信號處理 通路進(jìn)行校準(zhǔn)。所述誤差量化模塊對差模誤差檢測模塊產(chǎn)生的差模誤差進(jìn)行量化的量化精度高 于被校準(zhǔn)電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中最后一級電荷耦合子級流水線電路的量化精度。所述誤差糾正模塊對被校準(zhǔn)子級流水線電路中由電容失配所產(chǎn)生的電容誤差量 Δ C的校準(zhǔn)方法為在對電荷進(jìn)行加減的基準(zhǔn)電壓上提供一個ΔΥ的校正電壓量，AV滿足下 式
AV = ACXVr/(Cr-AC)。其中AC 被校準(zhǔn)子級流水線電路中正、負(fù)信號處理通道中電荷存儲電容值之差Cr 被校準(zhǔn)子級流水線電路中電荷存儲電容的理想值Vr 被校準(zhǔn)子級流水線電路中對電荷包進(jìn)行加減的基準(zhǔn)電壓值
Δ V 添加在上述對電荷包進(jìn)行加減的基準(zhǔn)電壓上的校準(zhǔn)電壓值所述對電容誤差量AC進(jìn)行校準(zhǔn)的方法的校準(zhǔn)次序為先對第一級子級流水線電 路進(jìn)行校準(zhǔn)，在控制器模塊判斷對第一級子級流水線電路進(jìn)行的校準(zhǔn)完成之后再開始進(jìn)行 對第二級子級流水線電路的校準(zhǔn)工作，后續(xù)各級子級流水線電路采用相同的方式，在前級 電路校準(zhǔn)完成之后再開始后級電路的校準(zhǔn)工作。所述誤差糾正模塊的電路實現(xiàn)采用分布式結(jié)構(gòu)誤差糾正模塊內(nèi)部包括多個子誤 差糾正電路，且子誤差糾正電路的使用數(shù)目與整個電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中所有子級 流水線電路所使用基準(zhǔn)信號選擇電路的數(shù)目相同，即一個基準(zhǔn)信號選擇電路配套使用一個 所述子誤差糾正電路。所述子誤差糾正電路中N位糾錯碼通過一個N位電流型DAC和一個連接在DAC輸 出端和地之間的電阻實現(xiàn)對基準(zhǔn)信號選擇電路輸出基準(zhǔn)電壓信號的控制。本發(fā)明的優(yōu)點是能夠自動檢測全差分結(jié)構(gòu)電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中由于元 器件失配而引起的差模誤差，并對該差模誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，將該差模誤差的影響控制在模數(shù) 轉(zhuǎn)換器的最低分辨率要求以內(nèi)，以克服工藝波動帶來的元器件失配所造成的差模誤差對現(xiàn) 有電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度限制的問題，進(jìn)一步提高現(xiàn)有電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn) 換器的轉(zhuǎn)換精度。


圖1為典型1. 5bit/級電荷耦合子級流水線電路原理圖；圖2為本發(fā)明差模誤差校準(zhǔn)電路的結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本發(fā)明細(xì)化了的差模誤差校準(zhǔn)電路的結(jié)構(gòu)框圖；圖4為子級流水線電路中基準(zhǔn)信號選擇電路結(jié)構(gòu)及不同工作模式原理圖；圖5為對典型1. 5bit/級子級流水線電路進(jìn)行差模誤差校準(zhǔn)的原理圖；圖6為本發(fā)明差模誤差量化模塊實現(xiàn)電路原理圖；圖7為本發(fā)明控制器模塊結(jié)構(gòu)原理圖；圖8為本發(fā)明誤差糾正模塊所使用的子誤差糾正電路結(jié)構(gòu)原理圖。
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明優(yōu)選實施方案進(jìn)行詳細(xì)說明。為說明本發(fā)明對電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中差模誤差校準(zhǔn)電路工作原理，首先 介紹基于電荷耦合信號處理技術(shù)的典型1. 5bit/級電荷耦合子級流水線電路原理。圖1所 示即為典型全差分結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的1. 5bit/級電荷耦合子級流水線電路原理圖。圖1中電路由 全差分的信號處理通道IOp和IOn構(gòu)成，整個電路包括2個本級電荷傳輸控制開關(guān)(lip和 Iln)、2個電荷存儲節(jié)點(14p和14η)、6個連接到電荷存儲節(jié)點的電荷存儲電容、2個比較器，2個受比較器輸出結(jié)果控制的基準(zhǔn)電荷選擇電路(13p和13η)，2個連接到本級電荷存儲 節(jié)點的下一級子級電路的電荷傳輸控制開關(guān)(12ρ和12η)。電路正常工作時，前級差分電荷 包首先通過IlP和Iln傳輸并存儲在本級電荷存儲節(jié)點14ρ和14η，比較器對差分電荷包 輸入所引起的節(jié)點14ρ和14η之間的電壓差變化量與基準(zhǔn)信號Vrp和Vrn進(jìn)行比較，得到 本級2位量化輸出數(shù)字碼DlDO ；數(shù)字輸出碼DlDO將輸出到延時同步寄存器，同時DlDO還 將會控制本級的基準(zhǔn)信號選擇電路IlP和13η，使它們分別產(chǎn)生一對互補的基準(zhǔn)信號分別 控制本級正負(fù)端電荷加減電容底板，對由前級傳輸?shù)奖炯壍牟罘蛛姾砂M(jìn)行相應(yīng)大小的加 減處理，得到本級差分余量電荷包；最后，電路完成本級差分余量電荷包由本級向下一級傳 輸，復(fù)位信號Vset對本級差分電荷存儲節(jié)點14ρ和14η進(jìn)行復(fù)位，完成1. 5bit/級電荷耦 合流水線子級電路一個完整時鐘周期的工作。圖1所示電路中輸入電荷包信號分別存儲在電荷存儲節(jié)點14p和14η上。若輸入 校準(zhǔn)信號為共模信號(即差分信號為0)，且電荷存儲節(jié)點14ρ和14η上的電荷存儲電容的 尺寸相同C14p = C14n，則由電荷注入引起的電荷存儲節(jié)點14p和14η上的電壓變化量應(yīng) 該相等。然而實際電路中由于工藝精度問題，電荷存儲節(jié)點14ρ和14η上的電荷存儲電容 的尺寸并不相同C14p興C14n，而是存在一個電容誤差量Δ C，該AC的存在便會使電荷存 儲節(jié)點14ρ和14η上的電壓變化量不相等，而是存在一個電壓誤差量Δν，并且該電壓誤差 量AV在AC固定的情況下與輸入電荷量成正比，電壓誤差量ΔΥ若超過比較器的判別門 限便會引起誤操作，比較器產(chǎn)生誤判。另外在電荷加減操作時，在基準(zhǔn)電壓相同 的情況下， 電容誤差量△ C的存在便會使電荷存儲節(jié)點14ρ和14η上的電荷變化量不相等，而存在一 個AQ的誤差，該電荷誤差量AQ將會直接傳輸給下一級子級電路，并且會逐級積累引起后 級電路的處理誤操作。由于采用流水線結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有流水線結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的數(shù)字校正模塊可以對電路 中比較器失調(diào)等因素引起的比較器誤操作進(jìn)行很大程度上的糾錯，因此在現(xiàn)有工藝上由上 述電容誤差量AC引起的比較器誤判誤操作基本可以糾正。然而上述電容誤差量AC引起 的電荷加減誤差電荷量ΔQ卻不能為現(xiàn)有流水線結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的數(shù)字校正模塊所糾 正，因此必須采取其他措施予以校正。本發(fā)明對上述電容誤差量AC引起的電荷加減誤差電荷量AQ進(jìn)行校準(zhǔn)的方法 為在對電荷進(jìn)行加減的基準(zhǔn)電壓上提供一個AV校正電壓量。假設(shè)正、負(fù)信號處理通道上 的電容分別為C14和C14-Δ C，用于對電荷進(jìn)行加減的基準(zhǔn)電壓為Vr = Vrp = Vrn，則正負(fù) 通道中被加減的電荷Qp、Qn和Δ Q分別為Qp = C14XVrp = C14XVrQn = (C14- Δ C) X Vrn = (C14_ AC) XVrAQ = Qp-Qn = C14X Vrp- (C 14- Δ C) X Vrn= C14XVr-(C14-AC) XVr= ACXVr若在上述負(fù)信號處理通道中對用于電荷進(jìn)行加減的基準(zhǔn)電壓Vrn進(jìn)行調(diào)整將其 大小調(diào)節(jié)為Vrn+Δ V，則正負(fù)通道中被加減的電荷Qp、Qn和AQ分別為Qp = C14XVrp = C14XVrQn = (C 14- Δ C) X (Vrn+ Δ V) = (C 14— Δ C) X (Vr+ Δ V)
= C14XVr+C14X Δ V-Δ CXVr-Δ CX AV= C14 X Vr+ (C14- Δ C) X Δ V- Δ C X VrAQ = Qp-Qn = C14X Vr-C 14 X Vr- (C14- Δ C) X Δ V+ Δ C X Vr= - (C14- Δ C) X Δ V+ Δ C X Vr= Δ C X Vr- (C14- Δ C) X Δ V上式中，若要AQ = 0，只要取 AV= Δ CX Vr/(C14-Δ C)。由上式可以知道，只要在上述負(fù)信號處理通道中用于對電荷進(jìn)行加減的基準(zhǔn)電壓Vrn基礎(chǔ)上增加一個大小為M= ACXVr/(C14-AC)的調(diào)節(jié)電壓便可以實現(xiàn)對電容誤差 量AC引起的電荷加減誤差電荷量AQ的校準(zhǔn)。要實現(xiàn)上述通過調(diào)整子級電路中對電荷進(jìn)行加減的基準(zhǔn)電壓信號來實現(xiàn)對電容 誤差量△(引起的電荷加減誤差電荷量AQ進(jìn)行校準(zhǔn)的方法，需要提供一個對電路中電容 誤差量AC進(jìn)行檢測的機制、一個對電路中電容誤差量AC引起的電荷加減誤差電荷量AQ 進(jìn)行量化的機制和一個對該誤差電荷量△ Q進(jìn)行校準(zhǔn)補償?shù)臋C制。如圖2所示，本發(fā)明對全差分結(jié)構(gòu)電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中正、負(fù)信號處理 通路間元器件失配所帶來的差模誤差進(jìn)行校準(zhǔn)的電路結(jié)構(gòu)包括差模誤差檢測模塊21、誤 差量化模塊22、誤差糾正模塊23和控制器模塊24。其中，差模誤差檢測模塊21用于根據(jù) 校準(zhǔn)基準(zhǔn)信號產(chǎn)生差模誤差；誤差量化模塊22用于將差模誤差檢測模塊21產(chǎn)生的差模誤 差進(jìn)行量化；控制器模塊24作用在于控制整個校準(zhǔn)電路的工作，提供差模誤差檢測模塊21 工作所需要的校準(zhǔn)碼，并對誤差量化模塊22的量化結(jié)果進(jìn)行處理產(chǎn)生誤差糾正模塊23工 作所需要的糾錯碼；誤差糾正模塊23作用在于根據(jù)控制器模塊提供的糾錯碼對全差分結(jié) 構(gòu)電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中正、負(fù)信號處理通路進(jìn)行糾正。圖2所示電路的工作原理為電路首先由控制器模塊發(fā)出校準(zhǔn)模式開始信號，整 個差模誤差校準(zhǔn)電路開始工作；系統(tǒng)輸入一個校準(zhǔn)基準(zhǔn)信號到差模誤差檢測模塊21，并且 該校準(zhǔn)基準(zhǔn)信號在整個校準(zhǔn)過程中均保持不變；差模誤差檢測模塊21根據(jù)控制器24提供 的校準(zhǔn)碼及誤差糾正模塊23提供的初始糾錯碼對輸入校準(zhǔn)基準(zhǔn)信號進(jìn)行逐級處理，處理 過程中差模誤差逐級處理累積并輸出到誤差量化模塊22 ；誤差量化模塊22將接收到的差 模誤差進(jìn)行量化，并將量化結(jié)果輸出到控制器模塊24 ；控制器模塊24對該量化結(jié)果進(jìn)行處 理判斷，若量化結(jié)果達(dá)不到目標(biāo)要求，則控制器模塊產(chǎn)生誤差糾正模塊23工作所需要的新 糾錯碼；誤差糾正模塊23根據(jù)控制器模塊提供的新糾錯碼對全差分結(jié)構(gòu)電荷耦合流水線 模數(shù)轉(zhuǎn)換器中正、負(fù)信號處理通路進(jìn)行校準(zhǔn)，經(jīng)校準(zhǔn)之后，差模誤差檢測模塊21繼續(xù)根據(jù) 控制器提供的校準(zhǔn)碼對輸入校準(zhǔn)電荷信號進(jìn)行逐級處理，處理過程中累積的差模誤差繼續(xù) 輸出到誤差量化模塊22進(jìn)行量化，控制器對校準(zhǔn)結(jié)果再一次進(jìn)行判斷，依次循環(huán)，直到控 制器模塊24判斷量化結(jié)果達(dá)到目標(biāo)要求；若量化結(jié)果達(dá)到目標(biāo)要求，則控制器保持最后一 次產(chǎn)生的糾錯碼并產(chǎn)生校準(zhǔn)結(jié)束信號，校準(zhǔn)工作結(jié)束。圖2中所示的差模誤差校準(zhǔn)電路中，所述差模誤差檢測模塊21的實現(xiàn)借助全差 分結(jié)構(gòu)電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中正、負(fù)信號處理通路完成；所述誤差糾正模塊23的電 路實現(xiàn)采用分布式結(jié)構(gòu)，誤差糾正模塊通過總線形式連接控制內(nèi)部多個子誤差糾正電路實 現(xiàn)；控制器模塊24通過總線將差模誤差檢測模塊21、差模誤差量化模塊22和誤差糾正模 塊23聯(lián)系起來實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的差模誤差校準(zhǔn)工作。
圖3為本發(fā)明細(xì)化了的差模誤差校準(zhǔn)電路的結(jié)構(gòu)框圖，差模誤差檢測模塊31借助 全差分結(jié)構(gòu)電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中正、負(fù)信號處理通路30完成。模數(shù)轉(zhuǎn)換器中正、 負(fù)信號處理通路30包括電荷耦合采樣保持電路300、N級基于電荷耦合信號處理技術(shù)的流 水線子級電路(301 303)、最后一級(第N+1級)電荷耦合子級流水線電路304。輸入校 準(zhǔn)基準(zhǔn)信號進(jìn)入信號處理通路30后首先經(jīng)過電荷耦合采樣保持電路300，其用于將輸入基 準(zhǔn)電壓信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)大小成比例的基準(zhǔn)電荷包，并將該基準(zhǔn)電荷包傳輸給第一級電荷耦 合子級流水線電路301 ；電路先對第一級電荷耦合子級流水線電路301進(jìn)行差模誤差校準(zhǔn)， 第一級電荷耦合子級流水線電路301根據(jù)控制器模塊提供的校準(zhǔn)碼Cal (0)及誤差糾正模 塊提供的初始糾錯碼EO對采樣得到的基準(zhǔn)電荷包進(jìn)行加減處理得到差分余量電荷包QOp 和QOn并將該差分余量電荷包傳輸給后級電荷耦合子級流水線電路；各后級子級流水線電 路(302、303、304)先后分別根據(jù)各自的校準(zhǔn)碼(Cal (1 η))及初始糾錯碼(El En)對 各自接收到的差分余量電荷包進(jìn)行處理，最后得到最后一級電荷耦合子級流水線電路304 的差分余量電荷包Qnp和Qrm ；誤差量化模塊將接收到的差分余量電荷包進(jìn)行比較量化， 并將量化結(jié)果輸出到控制器模塊；控制器模塊對該量化結(jié)果進(jìn)行處理判斷，若量化結(jié)果達(dá) 不到目標(biāo)要求，則控制器模塊通過處理對初始糾錯碼中供第一級子級流水線電路使用的EO 進(jìn)行修改得到Ε0，同時其他各子級電路所需要的初始糾錯碼(El En)保持不變；第一級 電荷耦合子級流水線電路301再一次根據(jù)校準(zhǔn)碼Cal (0)及誤差糾正模塊提供的新糾錯碼 EO對采樣得到的基準(zhǔn)電荷包進(jìn)行加減處理得到差分余量電荷包QOp和QOn并將該差分余 量電荷包傳輸給后級電荷耦合子級流水線電路，各后級子級流水線電路(302、303、304)先 后分別根據(jù)各自的校準(zhǔn)碼(Cal(l η))及初始糾錯碼(El En)對各自接收到的差分余 量電荷包進(jìn)行再一次處理，再一次得到最后一級電荷耦合子級流水線電路304的差分余量 電荷包Qnp和Qrm ；誤差量化模塊將接收到的差分余量電荷包進(jìn)行再一次比較量化，并將新 量化結(jié)果輸出到控制器模塊，控制器模塊對該新量化結(jié)果進(jìn)行處理判斷，若量化結(jié)果仍然 達(dá)不到目標(biāo)要求，則控制器模塊控制電路重復(fù)上述步驟，直到控制器判斷新量化結(jié)果達(dá)到 目標(biāo)要求為止；當(dāng)控制器判斷量化結(jié)果達(dá)到目標(biāo)要求時，控制器模塊不再修改第一級子級 電路所使用的糾錯碼Ε0，并將最后一次產(chǎn)生的糾錯碼EO作為第一級子級電路的最終糾錯 碼存儲在存儲器中保持不變，控制器完成第一級子級電路的校準(zhǔn)工作，此時第一級子級電 路輸出的余量電荷包將被作為后級子級流水線電路校準(zhǔn)所需要的基準(zhǔn)電荷包信號QOpr和 QOnr,電路開始第二級子級流水線電路的校準(zhǔn)工作。第二級子級流水線電路的校準(zhǔn)工作過程與第一級子級電路類似，控制器模塊首先 設(shè)置第二級子級電路校準(zhǔn)所需要的校準(zhǔn)碼Cal(I)，第三級及后續(xù)其他各級電路的校準(zhǔn)碼 Cal (2 η)均保持不變；第二級子級流水線電路根據(jù)校準(zhǔn)碼Cal (1)及誤差糾正模塊提供 的初始糾錯碼El對輸入的基準(zhǔn)電荷包信號QOpr和QOnr進(jìn)行加減處理等與第一級子級電 路校準(zhǔn)工作相同的操作；當(dāng)控制器判斷量化結(jié)果達(dá)到目標(biāo)要求時，控制器模塊不再修改第 二級子級電路所使用的糾錯碼Ε1，并將最后一次產(chǎn)生的糾錯碼El作為第二級子級電路的 最終糾錯碼存儲在寄存器中保持不變，控制器完成第二級子級電路的校準(zhǔn)工作，此時第二 級子級電路輸出的余量電荷包將被作為后級子級流水線電路校準(zhǔn)所需要的基準(zhǔn)電荷包信 號Qlpr和Qlnr，電路開始第三級子級流水線電路的校準(zhǔn)工作。
第三級子級流水線電路的校準(zhǔn)工作過程與第二級子級電路完全相同，當(dāng)?shù)谌壸蛹壛魉€電路的校準(zhǔn)工作完成后，電路繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)各級子級電路差動誤差校準(zhǔn)工作。當(dāng) 最后一級即第N+1級子級電路的校準(zhǔn)完成之后，控制器模塊產(chǎn)生校準(zhǔn)結(jié)束信號，校準(zhǔn)工作結(jié)束。圖1中所示1. 5bit/級電荷耦合子級流水線電路當(dāng)工作在校準(zhǔn)模式時，其工作狀態(tài)將有所不同。本級基準(zhǔn)信號選擇電路13p和13η的輸出將不再由比較器的比較量化結(jié) 果DlDO控制，而是由圖3中所述的校準(zhǔn)碼控制。圖4所示即為圖1中所述電荷耦合子級流 水線電路中基準(zhǔn)信號選擇電路結(jié)構(gòu)及處于不同工作模式下的電路工作原理圖。圖4(a)所 示為基準(zhǔn)信號選擇電路結(jié)構(gòu)框圖，整個基準(zhǔn)信號選擇電路40內(nèi)部包括比較量化控制邏輯 41、校準(zhǔn)信號控制邏輯42、工作模式選擇開關(guān)43和基準(zhǔn)信號輸出電路44等功能模塊。比較 器的比較量化結(jié)果通過比較量化控制邏輯41控制輸出基準(zhǔn)信號；校準(zhǔn)模式控制信號通過 校準(zhǔn)信號控制邏輯42控制輸出基準(zhǔn)信號；基準(zhǔn)信號輸出電路44的輸出信號直接連接到電 荷加減電容。圖4(b)所示為基準(zhǔn)信號選擇電路工作于正常模式時的原理圖，工作模式選擇 開關(guān)43將信號通路切換到比較量化控制邏輯41，基準(zhǔn)信號選擇電路的輸出由比較器的比 較量化結(jié)果控制。圖4(c)所示為基準(zhǔn)信號選擇電路工作于校準(zhǔn)模式時的原理圖，工作模式 選擇開關(guān)43將信號通路切換到校準(zhǔn)信號控制邏輯42，基準(zhǔn)信號選擇電路的輸出不再由比 較器的比較量化結(jié)果控制，而是由校準(zhǔn)信號控制邏輯42控制。圖5所示為對全差分結(jié)構(gòu)1. 5bit/級電荷耦合子級流水線電路進(jìn)行校準(zhǔn)時的電 路原理圖，圖中忽略了沒有處于信號環(huán)路中的子模塊電路。校準(zhǔn)模式時信號通路包括全差 分的正、負(fù)信號通路50p和50η。輸入差分校準(zhǔn)基準(zhǔn)電荷包信號分別存儲在電荷存儲節(jié)點 54ρ和54η上，由控制器模塊產(chǎn)生的校準(zhǔn)碼Calp和Caln分別控制校準(zhǔn)信號控制邏輯51ρ和 51η,由控制器模塊產(chǎn)生的糾錯碼Ep和En分別控制子誤差糾正電路53ρ和53η ；校準(zhǔn)信號 控制邏輯51ρ通過連接到基準(zhǔn)信號輸出電路52ρ的控制端控制正信號通路50ρ的輸出基準(zhǔn) 電壓，校準(zhǔn)信號控制邏輯51η通過連接到基準(zhǔn)信號輸出電路52η的控制端控制負(fù)信號通路 50η的輸出基準(zhǔn)電壓；子誤差糾正電路53ρ通過連接到基準(zhǔn)信號輸出電路52ρ控制正信號 通路50ρ的輸出基準(zhǔn)電壓，子誤差糾正電路53η通過連接到基準(zhǔn)信號輸出電路52η控制負(fù) 信號通路50η的輸出基準(zhǔn)電壓。圖6所示為本發(fā)明用于對差模誤差檢測模塊所產(chǎn)生差模誤差進(jìn)行量化的誤差量 化模塊的一種電路實現(xiàn)方式。整個電路包括2個電荷傳輸控制開關(guān)(61ρ和61η)、2個電荷 存儲節(jié)點(64ρ和64η)、2個連接到電荷存儲節(jié)點的電荷存儲電容、2個對電荷存儲節(jié)點進(jìn)行
復(fù)位的復(fù)位開關(guān)、N個比較器(621、622.....62η)。電路正常工作時，前級差分電荷包首先
通過6Ip和61η傳輸并存儲在本級電荷存儲節(jié)點64ρ和64n，N個比較器對差分電荷包輸入 所引起的節(jié)點64ρ和64η之間的電壓差變化量與基準(zhǔn)信號VrO Vrn進(jìn)行比較，得到本級 N位量化輸出數(shù)字碼Dn DO ；數(shù)字輸出碼Dn DO將輸出到圖2所示的控制器模塊中；最 后，復(fù)位信號Vset對本級差分電荷存儲節(jié)點64ρ和64η進(jìn)行復(fù)位，完成電路一個完整時鐘 周期的工作。實際應(yīng)用時，圖6所示的誤差量化模塊的量化精度和電路復(fù)雜取決于其內(nèi)部所使 用比較器的個數(shù)和精度。一般校準(zhǔn)模式時電路的速度不是主要限制因素，因此所使用的N 個比較器的可以盡量使用高精度比較器。為保證整個模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差小于1LSB，差 模誤差校準(zhǔn)電路的整體精度應(yīng)高于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，因此差模誤差校準(zhǔn)電路的誤差應(yīng)小于1/2LSB。在電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，最后一級電荷耦合子級流水線電路只對前級電路的差分余量電荷包進(jìn)行比較量化而不進(jìn)行電荷加減操作，因此傳輸?shù)秸`差量化模 塊的差分余量電荷包與最后一級電荷耦合子級流水線電路中的差分余量電荷包大小相等。 要保證差模誤差校準(zhǔn)電路的誤差小于1/2LSB，則誤差量化模塊所使用比較器的個數(shù)應(yīng)比最 后一級電荷耦合子級流水線電路中所使用的比較器個數(shù)多。圖7所示為本發(fā)明電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器差模誤差校準(zhǔn)電路中控制器模塊 的電路結(jié)構(gòu)框圖。整個控制器模塊70其內(nèi)部模塊包括校準(zhǔn)控制邏輯71、校準(zhǔn)碼產(chǎn)生電路 72、N位寄存器73、信號處理器74、存儲器模塊78和糾錯碼產(chǎn)生電路75。當(dāng)差模誤差校準(zhǔn) 電路開始進(jìn)入校準(zhǔn)模式時，系統(tǒng)給校準(zhǔn)控制邏輯71輸入一個啟動信號，控制器模塊70開始 工作；校準(zhǔn)控制邏輯71首先產(chǎn)生一組校準(zhǔn)碼和一組初始糾錯碼分別供差模誤差檢測模塊 76和誤差糾正電路模塊77使用；經(jīng)過一定時鐘周期的處理，誤差量化模塊將會反饋回一組 N位的差模誤差量化結(jié)果并存儲在N位寄存器73中；信號處理器74將存儲在寄存器73中 的N位的差模誤差量化結(jié)果進(jìn)行處理判斷，若判斷N位的差模誤差量化結(jié)果達(dá)不到目標(biāo)要 求，則信號處理器會觸發(fā)糾錯碼產(chǎn)生電路75產(chǎn)生一組新的糾錯碼供誤差糾正電路進(jìn)行再 一次校準(zhǔn)，經(jīng)校準(zhǔn)之后，誤差量化模塊將會反饋回一組新的N位的差模誤差量化結(jié)果并重 新存儲在N位寄存器73中，信號處理器74將存儲在寄存器73中的N位的差模誤差量化結(jié) 果再一次進(jìn)行處理判斷，若量化結(jié)果仍然達(dá)不到目標(biāo)要求，則控制器模塊重復(fù)上述步驟，直 到控制器判斷新量化結(jié)果達(dá)到目標(biāo)要求為止；當(dāng)信號處理器74判斷量化結(jié)果達(dá)到目標(biāo)要 求時，信號處理器74不再修改糾錯碼，并將最后一次產(chǎn)生的糾錯碼作為最終糾錯碼存儲在 存儲器模塊78中保持不變。圖8為本發(fā)明誤差糾正模塊中所使用的子誤差糾正電路結(jié)構(gòu)原理圖。整個子誤 差糾正電路80包括一個工作狀態(tài)控制開關(guān)81，用于對基準(zhǔn)電壓Vref進(jìn)行分壓的第一電阻 820、第二電阻821和第三電阻822以及調(diào)整輸出電壓的N_bitDAC 83。當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)入 差模誤差校準(zhǔn)模式時，控制信號置0，工作狀態(tài)控制開關(guān)81導(dǎo)通，第一電阻820、第二電阻 821和第三電阻822對基準(zhǔn)電壓Vref進(jìn)行分壓得到一個初始電壓輸出VrO，由圖7中糾錯 碼產(chǎn)生電路75產(chǎn)生的N位糾錯碼將會作為N-bit電流型DAC 83的控制碼產(chǎn)生一個到地的 糾錯電流Ic，糾錯電流Ic流經(jīng)第三電阻822到地，這樣就會在電阻822上疊加一個AV = Ic X R822的電壓量，輸出到基準(zhǔn)信號輸出電路的電壓Vr = VrO+Δ V。采用本誤差糾正模塊， 只要控制N位糾錯碼便可以實現(xiàn)改變輸出基準(zhǔn)電壓的目的。實際應(yīng)用時，上述誤差糾正模塊的電路實現(xiàn)采用分布式結(jié)構(gòu)，誤差糾正模塊內(nèi)部 包括多個圖8所示子誤差糾正電路，誤差糾正模塊通過總線形式連接控制內(nèi)部多個子誤差 糾正電路實現(xiàn)，子誤差糾正電路的使用數(shù)目與整個電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中所有子級 流水線電路所使用基準(zhǔn)信號選擇電路的數(shù)目相同，即一個基準(zhǔn)信號選擇電路配套使用一個 所述子誤差糾正電路。一般電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中所使用基準(zhǔn)信號選擇電路數(shù)目達(dá) 幾十個，這樣對該模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行差模校準(zhǔn)所要使用的子誤差糾正電路的數(shù)目就非常多。 而子誤差糾正電路的校準(zhǔn)精度取決于其內(nèi)部N-bit電流型DAC的精度，顯然DAC位數(shù)越高 其精度越高，同時功耗和面積也越大。因此，誤差量化模塊的電路復(fù)雜度和校準(zhǔn)精度取決于 其內(nèi)部所使用子誤差糾正電路的個數(shù)和精度。實際應(yīng)用時只能根據(jù)具體需求適當(dāng)折衷。本發(fā)明實施方案的優(yōu)點是能夠自動檢測全差分結(jié)構(gòu)電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中由于元器件失配而引起的差模誤差，并對該差模誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，將該差模誤差的影響控 制在模數(shù)轉(zhuǎn)換器的最低分辨率要求以內(nèi)，以克服工藝波動帶來的元器件失配所造成的差模 誤差對現(xiàn)有電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度限制的問題，進(jìn)一步提高現(xiàn)有電荷耦合流水 線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度。 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的差模誤差校準(zhǔn)電路，其特征是包括差模誤差檢測模塊、誤差量化模塊、誤差糾正模塊和控制器模塊；所述差模誤差檢測模塊用于根據(jù)校準(zhǔn)基準(zhǔn)信號產(chǎn)生差模誤差；誤差量化模塊用于將所述差模誤差進(jìn)行量化；控制器模塊用于控制整個差模誤差校準(zhǔn)電路的工作，提供差模誤差檢測模塊工作所需要的校準(zhǔn)碼，并對誤差量化模塊的量化結(jié)果進(jìn)行處理產(chǎn)生誤差糾正模塊工作所需要的糾錯碼；誤差糾正模塊根據(jù)所述糾錯碼對全差分結(jié)構(gòu)電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中正、負(fù)信號處理通路進(jìn)行校準(zhǔn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述差模誤差校準(zhǔn)電路，其特征在于，所述誤差量化模塊對差模誤 差檢測模塊產(chǎn)生的差模誤差進(jìn)行量化的量化精度高于被校準(zhǔn)電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器 中最后一級電荷耦合子級流水線電路的量化精度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述差模誤差校準(zhǔn)電路，其特征是，所述誤差糾正模塊對被校準(zhǔn)子 級流水線電路中由電容失配所產(chǎn)生的電容誤差量△ C的校準(zhǔn)方法為在對電荷進(jìn)行加減的 基準(zhǔn)電壓上提供一個ΔΥ的校正電壓量，AV滿足下式AV = ACXVr/(Cr-AC)，其中AC:被校準(zhǔn)子級流水線電路中正、負(fù)信號處理通道中電荷存儲電容值之差，Cr 被校準(zhǔn)子級流水線電路中電荷存儲電容的理想值，Vr 被校準(zhǔn)子級流水線電路中對電荷包進(jìn)行加減的基準(zhǔn)電壓值，Δ V 添加在上述對電荷包進(jìn)行加減的基準(zhǔn)電壓上的校準(zhǔn)電壓值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述差模誤差校準(zhǔn)電路，其特征在于，所述對電容誤差量AC進(jìn)行校 準(zhǔn)的方法的校準(zhǔn)次序為先對第一級子級流水線電路進(jìn)行校準(zhǔn)，在控制器模塊判斷對第一 級子級流水線電路進(jìn)行的校準(zhǔn)完成之后再開始進(jìn)行對第二級子級流水線電路的校準(zhǔn)工作， 后續(xù)各級子級流水線電路采用相同的方式，在前級電路校準(zhǔn)完成之后再開始后級電路的校 準(zhǔn)工作。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述差模誤差校準(zhǔn)電路，其特征在于，所述誤差糾正模塊的電路實 現(xiàn)采用分布式結(jié)構(gòu)誤差糾正模塊內(nèi)部包括多個子誤差糾正電路，且子誤差糾正電路的使 用數(shù)目與整個電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中所有子級流水線電路所使用基準(zhǔn)信號選擇電 路的數(shù)目相同，即一個基準(zhǔn)信號選擇電路配套使用一個所述子誤差糾正電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述差模誤差校準(zhǔn)電路，其特征在于，所述子誤差糾正電路中N位糾 錯碼通過一個N位電流型DAC和一個連接在DAC輸出端和地之間的電阻實現(xiàn)對基準(zhǔn)信號選 擇電路輸出基準(zhǔn)電壓信號的控制。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種對電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中差模誤差進(jìn)行校準(zhǔn)的電路，該電路包括差模誤差檢測模塊、誤差量化模塊、誤差糾正模塊和控制器模塊。該差模誤差校準(zhǔn)電路能夠自動檢測全差分結(jié)構(gòu)電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中由于元器件失配而引起的差模誤差，并對該差模誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，將該差模誤差的影響控制在模數(shù)轉(zhuǎn)換器的最低分辨率要求以內(nèi)，以克服工藝波動帶來的元器件失配所造成的差模誤差對現(xiàn)有電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度限制的問題，進(jìn)一步提高現(xiàn)有電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度。
文檔編號H03M1/10GK101800548SQ20101011052
公開日2010年8月11日 申請日期2010年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月4日
發(fā)明者吳俊 , 季惠才, 陳珍海, 黃嵩人 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所