專(zhuān)利名稱(chēng)：一種可進(jìn)行后臺(tái)數(shù)字校準(zhǔn)的流水線(xiàn)式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及流水線(xiàn)式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，尤其涉及一種利用一階與三階誤差進(jìn)行后臺(tái)數(shù)字校準(zhǔn)的流水線(xiàn)式模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
流水線(xiàn)式模數(shù)轉(zhuǎn)換器(pipelined analog-to-digital converter，以下簡(jiǎn)稱(chēng)流水線(xiàn)式ADC)是一種常使用于視頻圖像系統(tǒng)、數(shù)字用戶(hù)回路、以太網(wǎng)收發(fā)機(jī)、或者是無(wú)線(xiàn)通訊系統(tǒng)中的重要元件；流水線(xiàn)式模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D conversion，以下簡(jiǎn)稱(chēng)A/D轉(zhuǎn)換)可以在功率、速度、集成電路芯片面積上取得不錯(cuò)的平衡點(diǎn)，故可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)取樣頻率在百萬(wàn)赫茲等級(jí)的高精度ADC運(yùn)算之中。如圖1所示是傳統(tǒng)流水線(xiàn)式ADC結(jié)構(gòu)框圖，模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣保持電路100之后， 再通過(guò)N個(gè)級(jí)電路模塊200和后級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路模塊300進(jìn)行量化；最后將各級(jí)電路模塊 200和后級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路模塊300得到的量化值，通過(guò)延時(shí)及錯(cuò)位相加模塊400，根據(jù)時(shí)間延時(shí)以及權(quán)重進(jìn)行錯(cuò)位相加，輸出最終數(shù)字信號(hào)Dout。如圖2所示是傳統(tǒng)流水線(xiàn)式ADC中某一個(gè)級(jí)電路模塊200的單端結(jié)構(gòu)框圖，它由兩相非交疊時(shí)鐘控制在相位1內(nèi)，子采樣保持電路210對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，子模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊220對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行粗量化得到量化值D ；在相位2內(nèi)，子數(shù)模轉(zhuǎn)換器230將上述粗量化值D轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)，然后該模擬信號(hào)進(jìn)入減法器240中與經(jīng)子采樣保持電路210 的輸入信號(hào)相減得到量化余量，該量化余量經(jīng)過(guò)余量放大器250的放大，輸出給下一個(gè)級(jí)電路模塊200。每一個(gè)級(jí)電路模塊200都這樣進(jìn)行流水線(xiàn)工作采樣一粗量化一余量放大 —輸出到下一個(gè)級(jí)電路模塊200 ；最后一個(gè)級(jí)電路模塊200的輸出送到后級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 300中，且每一個(gè)級(jí)電路模塊200的粗量化值D和后級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的量化值Db還要輸出給延時(shí)及錯(cuò)位相加模塊400。如圖3所示是實(shí)現(xiàn)圖2功能的具體電路，實(shí)現(xiàn)采樣輸入信號(hào)，粗量化和余量放大的功能。該電路在兩相非交疊時(shí)鐘控制下工作，在相位1內(nèi)，所有開(kāi)關(guān)Sl導(dǎo)通，所有開(kāi)關(guān)S2 關(guān)閉，輸入信號(hào)被采樣在第一電容211和第二電容212上，同時(shí)比較器221和比較器222對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行粗量化，比較器221和比較器222的閾值電壓分別是-Vref/4和+Vref/4，隨著輸入信號(hào)的增大粗量化值D依次是_1、0、1 ；在相位2內(nèi)，所有開(kāi)關(guān)Sl關(guān)閉，所有開(kāi)關(guān)S2 導(dǎo)通，第二電容212下底板根據(jù)量化值D決定是連到-Vref、0還是+Vref，而第一電容211 作為反饋電容連接到運(yùn)算放大器251的輸出端。這樣經(jīng)過(guò)兩個(gè)相位之后，該電路就實(shí)現(xiàn)了級(jí)電路模塊200的功能。假設(shè)第一電容211和第二電容212完全匹配，開(kāi)關(guān)Sl和開(kāi)關(guān)S2是理想的，并且運(yùn)算放大器251是理想的(即具有無(wú)限大的開(kāi)環(huán)增益和零輸入失調(diào))，那么根據(jù)電荷守恒定律，可以得到輸出電壓為Vq = 2*Vi-D*Vref，理想的余量傳輸曲線(xiàn)如圖4(a)虛線(xiàn)所示。Db 為該級(jí)輸出信號(hào)Vo經(jīng)過(guò)之后的所有級(jí)電路模塊200和后級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊300得到的量化結(jié)果，該結(jié)果和本級(jí)粗量化值D加權(quán)相加后得到級(jí)電路模塊200的完整傳輸曲線(xiàn)，假設(shè)每一個(gè)級(jí)電路模塊200和后級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊300都是理想的，那么該完整傳輸曲線(xiàn)(D+Db)應(yīng)該是一條斜率固定的直線(xiàn)，如圖4(b)虛線(xiàn)所示。但是在實(shí)際情況中，第一電容211和第二電容212是存在失配的，且開(kāi)關(guān)Sl和開(kāi)關(guān)S2存在非線(xiàn)性，并且運(yùn)算放大器251也不是理想的(即開(kāi)環(huán)增益有限及非線(xiàn)性)，這些非理想因素會(huì)導(dǎo)致傳輸曲線(xiàn)的惡化，實(shí)際的余量傳輸曲線(xiàn)和完整傳輸曲線(xiàn)如圖4(a)和圖 4 (b)中的實(shí)線(xiàn)所示，該情形將使模數(shù)轉(zhuǎn)換器性能變差?，F(xiàn)在針對(duì)電容誤差、運(yùn)算放大器增益誤差和非線(xiàn)性誤差的校準(zhǔn)技術(shù)，一股的模擬電路比較復(fù)雜，而數(shù)字算法也比較難以實(shí)現(xiàn)。

實(shí)用新型內(nèi)容發(fā)明目的為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本實(shí)用新型提供一種模擬電路簡(jiǎn)單、 數(shù)字算法易于實(shí)現(xiàn)的可進(jìn)行后臺(tái)數(shù)字校準(zhǔn)的流水線(xiàn)式模數(shù)轉(zhuǎn)換器。技術(shù)方案為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為一種可進(jìn)行后臺(tái)數(shù)字校準(zhǔn)的流水線(xiàn)式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括依次串聯(lián)的采樣保持電路、M個(gè)可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊、N個(gè)級(jí)電路模塊和后級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，其中每一個(gè)可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊連接一個(gè)與之相對(duì)應(yīng)的數(shù)字校準(zhǔn)級(jí)電路，級(jí)電路模塊和后級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的量化值輸出端口與延時(shí)及錯(cuò)位相加模塊相連接，延時(shí)及錯(cuò)位相加模塊的輸出端反向依次串聯(lián)接入數(shù)字校準(zhǔn)級(jí)電路，M、N為自然數(shù)。通過(guò)采用保持電路可以對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣；通過(guò)依次串聯(lián)的M個(gè)可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊、N個(gè)級(jí)電路模塊和后級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，可以對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換以得到初始量化值，數(shù)字校準(zhǔn)電路能夠檢測(cè)出模擬電路中的誤差，并對(duì)初始量化值進(jìn)行誤差補(bǔ)償，最終能夠得到準(zhǔn)確的量化值。所述級(jí)電路模塊即為現(xiàn)有技術(shù)中的級(jí)電路模塊，可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊相比較級(jí)電路模塊多了一個(gè)偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和一個(gè)用來(lái)選擇比較器閾值的多路選擇開(kāi)關(guān)，使得原來(lái)固定的轉(zhuǎn)折電平變成隨機(jī)變化的，其結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單明了，具體來(lái)說(shuō)可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊主要包括一個(gè)子采樣保持電路；一個(gè)偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，用來(lái)產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)；一個(gè)多路選擇開(kāi)關(guān)，用來(lái)選擇一組轉(zhuǎn)折電平作為比較器閾值電壓；一個(gè)子模數(shù)轉(zhuǎn)換器，由比較器和數(shù)字單元構(gòu)成，用來(lái)實(shí)現(xiàn)該可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊的模數(shù)轉(zhuǎn)換，其中比較器閾值通過(guò)偽隨機(jī)數(shù)控制多路選擇開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行隨機(jī)切換；一個(gè)子數(shù)模轉(zhuǎn)換器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)該可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊的量化值向模擬域轉(zhuǎn)換；一個(gè)余量放大電路，由減法器和余量放大器構(gòu)成，用來(lái)實(shí)現(xiàn)該可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊輸入和量化等效模擬的減法并進(jìn)行倍數(shù)放大。在級(jí)電路模塊中，各個(gè)部分的連接方式如下子采樣保持電路與子模數(shù)轉(zhuǎn)換器并聯(lián)接入，子模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端接入子數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入端，子采樣保持電路的輸出端接減法器的正極，子數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端接減法器的負(fù)極，減法器的輸出端接余量放大器的輸入端。相比較級(jí)電路模塊，在可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊中，偽隨機(jī)發(fā)生器通過(guò)多路選擇開(kāi)關(guān)與子模數(shù)轉(zhuǎn)換器的比較器相連接。[0021]另外，為了減小電路的規(guī)模，多個(gè)可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊可以共用一個(gè)偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，比如M個(gè)可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊共用一個(gè)偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。所述M個(gè)數(shù)字校準(zhǔn)級(jí)電路依次反向串聯(lián)后形成數(shù)字校準(zhǔn)電路，其中每一個(gè)數(shù)字校準(zhǔn)級(jí)電路包括誤差檢測(cè)模塊和誤差校準(zhǔn)模塊，其中誤差檢測(cè)模塊包括自適應(yīng)窗口、一階誤差檢測(cè)模塊和三階誤差檢測(cè)模塊，誤差校準(zhǔn)模塊包括一階誤差校準(zhǔn)模塊和三階誤差校準(zhǔn)模塊。所述自適應(yīng)窗口可以在校準(zhǔn)過(guò)程中自動(dòng)調(diào)整，以減小輸入信號(hào)對(duì)一階誤差檢測(cè)模塊工作的影響，穩(wěn)定一階誤差系數(shù)，減小隨機(jī)抖動(dòng)；所述一階誤差檢測(cè)模塊通過(guò)測(cè)量不同完整傳輸曲線(xiàn)的均值差異更新一階誤差系數(shù)；所述三階誤差檢測(cè)模塊通過(guò)測(cè)量不同余量傳輸曲線(xiàn)在轉(zhuǎn)折電平處跳變值的差異更新三階誤差系數(shù)。所述可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊的具體電路包括信號(hào)輸入端、運(yùn)算放大器、第一電容和第二電容，當(dāng)可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊位于相位1時(shí)，第一電容和第二電容均連在信號(hào)輸入端和放大器輸入端之間，當(dāng)可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊位于相位2時(shí)，第一電容連在運(yùn)算放大器輸入端和運(yùn)算放大器輸出端之間，第二電容連在子數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出端和運(yùn)算放大器輸入端之間。所述第一電容和第二電容可以相同。所述可進(jìn)行后臺(tái)數(shù)字校準(zhǔn)的流水線(xiàn)式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作流程如下輸入信號(hào)Vi 逐級(jí)通過(guò)M個(gè)可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊、N個(gè)級(jí)電路模塊以及后級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，且在此期間，可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊輸出粗量化值和偽隨機(jī)數(shù)，級(jí)電路模塊輸出粗量化值，后級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸出量化值，通過(guò)將級(jí)電路模塊的粗量化值和后級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的量化值依權(quán)重相加，得到后級(jí)量化值Db (M)；后級(jí)量化值Db (M)輸入最后一個(gè)(也就是第M個(gè))數(shù)字校準(zhǔn)級(jí)電路， 由誤差檢測(cè)模塊更新一階與三階誤差系數(shù)，同時(shí)由誤差校準(zhǔn)模塊利用誤差檢測(cè)模塊得到的系數(shù)進(jìn)行一階與三階誤差校準(zhǔn)，得到新的后級(jí)量化值Db (M-I)，再將該后級(jí)量化值Db (M-I) 輸出至前一級(jí)的數(shù)字校準(zhǔn)級(jí)電路，這樣流水線(xiàn)工作，最終由第一級(jí)誤差校準(zhǔn)模塊輸出校準(zhǔn)之后的輸入信號(hào)的量化值Dout。有益效果本實(shí)用新型提供的一種可進(jìn)行后臺(tái)數(shù)字校準(zhǔn)的流水線(xiàn)式模數(shù)轉(zhuǎn)換器， 思路新穎，且模擬電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅在現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和多路選擇開(kāi)關(guān)，并能夠在工作過(guò)程中不影響其他模擬電路的工作；同時(shí)，數(shù)字電路部分的原理簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易，能夠明顯減小流水線(xiàn)式ADC的誤差，提高其線(xiàn)性度，改善其動(dòng)態(tài)性能。

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的流水線(xiàn)式ADC的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)中的流水線(xiàn)式ADC的級(jí)電路模塊結(jié)構(gòu)框圖；圖3為現(xiàn)有技術(shù)中的流水線(xiàn)式ADC的級(jí)電路模塊電路圖；圖4(a)為現(xiàn)有技術(shù)中的流水線(xiàn)式ADC的級(jí)電路模塊余量傳輸曲線(xiàn)；圖4(b)為現(xiàn)有技術(shù)中的流水線(xiàn)式ADC的級(jí)電路模塊完整傳輸曲線(xiàn)；圖5為本實(shí)用新型中的流水線(xiàn)式ADC的結(jié)構(gòu)框圖；圖6為本實(shí)用新型中的流水線(xiàn)式ADC的可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊結(jié)構(gòu)框圖；圖7為本實(shí)用新型中的流水線(xiàn)式ADC的可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊電路圖；圖8(a)為本實(shí)用新型中的流水線(xiàn)式ADC的可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊余量傳輸曲線(xiàn)；[0036]圖8(b)為本實(shí)用新型中的流水線(xiàn)式ADC的可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊完整傳輸曲線(xiàn)；圖9為本實(shí)用新型中的流水線(xiàn)式ADC的數(shù)字校準(zhǔn)級(jí)電路框圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作更進(jìn)一步的說(shuō)明。如圖5所示為一種可進(jìn)行后臺(tái)數(shù)字校準(zhǔn)的流水線(xiàn)式ADC的結(jié)構(gòu)示意圖，包括依次串聯(lián)的采樣保持電路100、M個(gè)可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊500、N個(gè)級(jí)電路模塊200和后級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊300，其中每一個(gè)可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊500連接一個(gè)與之相對(duì)應(yīng)的數(shù)字校準(zhǔn)級(jí)電路600， 級(jí)電路模塊200和后級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊300的量化值輸出端口與延時(shí)及錯(cuò)位相加模塊400相連接，延時(shí)及錯(cuò)位相加模塊400的輸出端反向依次串聯(lián)接入數(shù)字校準(zhǔn)級(jí)電路600，M、N為自然數(shù)。通過(guò)采樣保持電路100對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，由依次串聯(lián)的M個(gè)可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊500、N個(gè)級(jí)電路模塊200和后級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊300進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將通過(guò)N個(gè)級(jí)電路模塊200和后級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊300得到的量化值通過(guò)延時(shí)及錯(cuò)位相加模塊400得到后級(jí)量化值Db (M)，將此后級(jí)量化值Db (M)輸入第M個(gè)數(shù)字校準(zhǔn)級(jí)電路模塊600，進(jìn)行誤差檢測(cè)和校準(zhǔn)得到新的后級(jí)量化值Db (M-I)，然后輸入第M-I個(gè)數(shù)字校準(zhǔn)級(jí)電路模塊600，依次倒序進(jìn)行，最后由第1個(gè)數(shù)字校準(zhǔn)級(jí)電路600輸出整個(gè)ADC的量化值Dout。所述級(jí)電路模塊200的結(jié)構(gòu)如圖2所示，子采樣保持電路210與子模數(shù)轉(zhuǎn)換器220 并聯(lián)接入，子模數(shù)轉(zhuǎn)換器220的輸出端接入子數(shù)模轉(zhuǎn)換器230的輸入端，子采樣保持電路 210的輸出端接減法器240的正極，子數(shù)模轉(zhuǎn)換器230的輸出端接減法器240的負(fù)極，減法器240的輸出端接余量放大器250的輸入端；其具體采用的電路如圖3所示?？尚?zhǔn)級(jí)電路模塊500的結(jié)構(gòu)如圖6所示，其相比較級(jí)電路模塊200多了一個(gè)偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器560和一個(gè)用來(lái)選擇比較器閾值的多路選擇開(kāi)關(guān)，這使得原來(lái)固定的轉(zhuǎn)折電平變成隨機(jī)變化的，具體來(lái)說(shuō)可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊500主要包括一個(gè)子采樣保持電路510 ；一個(gè)偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器560，用來(lái)產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)；一個(gè)多路選擇開(kāi)關(guān)，用來(lái)選擇一組轉(zhuǎn)折電平作為比較器閾值電壓；—個(gè)子模數(shù)轉(zhuǎn)換器520，由比較器和數(shù)字單元構(gòu)成，用來(lái)實(shí)現(xiàn)該可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊 500的模數(shù)轉(zhuǎn)換，其中比較器閾值通過(guò)偽隨機(jī)數(shù)控制多路選擇開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行隨機(jī)切換；一個(gè)子數(shù)模轉(zhuǎn)換器530，用來(lái)實(shí)現(xiàn)該可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊500的量化值向模擬域轉(zhuǎn)換；一個(gè)余量放大電路，由減法器540和余量放大器550構(gòu)成，用來(lái)實(shí)現(xiàn)該可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊500輸入和量化等效模擬的減法并進(jìn)行倍數(shù)放大。偽隨機(jī)發(fā)生器560通過(guò)多路選擇開(kāi)關(guān)與子模數(shù)轉(zhuǎn)換器520的比較器相連接?？尚?zhǔn)級(jí)電路模塊500在兩相非交疊時(shí)鐘的控制下工作在相位1內(nèi)，子采樣保持電路510對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器560產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)PN，PN選擇子模數(shù)轉(zhuǎn)換器520 中的一組轉(zhuǎn)折電平，并且子模數(shù)轉(zhuǎn)換器520根據(jù)所選擇的轉(zhuǎn)折電平對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行粗量化得到量化值D ；在相位2內(nèi)，子數(shù)模轉(zhuǎn)換器530將量化值D轉(zhuǎn)換成模擬電壓，然后通過(guò)減法器540將輸入的模擬信號(hào)減去該模擬電壓得到粗量化的余量，余量放大器550將該余量放大一定倍數(shù)并輸出。圖7所示為實(shí)現(xiàn)可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊500功能的具體電路的單端示意圖，包括轉(zhuǎn)折電平發(fā)生器524、多路選擇開(kāi)關(guān)523、偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器561、比較器521、比較器522、編碼器 525、第一電容511、第二電容512、運(yùn)算放大器551以及開(kāi)關(guān)Sl和開(kāi)關(guān)S2構(gòu)成。轉(zhuǎn)折電平發(fā)生器524能夠產(chǎn)生若干組比較器閾值，多路選擇開(kāi)關(guān)523根據(jù)偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器561每個(gè)周期輸出的偽隨機(jī)數(shù)PN來(lái)選擇一組比較器閾值來(lái)進(jìn)行比較。以?xún)山M轉(zhuǎn)折電平為例設(shè)第一組轉(zhuǎn)折電平為-Vref/4和+Vref/4，第二組轉(zhuǎn)折電平為_(kāi)Vref/4+ Δ V和+Vref/4+ Δ V ( Δ V < Vref/4)，當(dāng)PN = 0時(shí)選擇第一組轉(zhuǎn)折電平作為兩個(gè)比較器的閾值電壓，當(dāng)PN = 1時(shí)選擇第二組轉(zhuǎn)折電平作為兩個(gè)比較器的閾值電壓。圖7所示電路是基于圖6所示的框圖的，其也工作在兩相非交疊時(shí)鐘下在相位1 內(nèi)，開(kāi)關(guān)Sl導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)S2斷開(kāi)，輸入的模擬信號(hào)被采樣在第一電容511和第二電容512上， 偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器561產(chǎn)生一個(gè)偽隨機(jī)數(shù)PN，PN從轉(zhuǎn)折電平發(fā)生器5 中選擇一組轉(zhuǎn)折電平作為比較器閾值，比較器521和比較器522的比較結(jié)果通過(guò)編碼器525得到粗量化值D，當(dāng)輸入的模擬信號(hào)小于兩個(gè)轉(zhuǎn)折電平時(shí)，D = -1，當(dāng)輸入的模擬信號(hào)在兩個(gè)轉(zhuǎn)折電平之間時(shí)， D = 0，當(dāng)輸入的模擬信號(hào)大于兩個(gè)轉(zhuǎn)折電平時(shí)，D = 1 ；在相位2內(nèi)，開(kāi)關(guān)Sl斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)S2 導(dǎo)通，第一電容511下底板被連接到運(yùn)算放大器551的輸出端作為反饋電容，第二電容512 下底板連接到參考電平上，當(dāng)D = -1時(shí)，參考電平為-Vref，當(dāng)D = 0時(shí)，參考電平為0(即地)，當(dāng)D = 1時(shí)，參考電平為+Vref，這樣運(yùn)算放大器551和第一電容511、第二電容512組成的環(huán)路就實(shí)現(xiàn)了余量放大的功能。根據(jù)電荷守恒定律，圖7所示電路可以得到如圖8 (a)虛線(xiàn)所示的PN = 0和PN = 1的兩條余量傳輸曲線(xiàn)，將粗量化值D和余量的量化值Db依權(quán)重相加，可以得到如圖8(b) 虛線(xiàn)所示的完整的傳輸曲線(xiàn)。考慮到模擬電路中的非理想因素，例如電容失配、開(kāi)關(guān)的非線(xiàn)性、放大器的有限增益和放大器的非線(xiàn)性等等，會(huì)造成傳輸曲線(xiàn)的非理想化，因而將該非理想型等效成一階和三階誤差(由于實(shí)際電路中采用雙端差分結(jié)構(gòu)，二階誤差可以忽略不計(jì))，非理想的余量傳輸曲線(xiàn)和完整的傳輸曲線(xiàn)如圖8(a)和圖8(b)中實(shí)線(xiàn)所示，由圖示可以看出，誤差導(dǎo)致傳輸曲線(xiàn)的斜率變小、轉(zhuǎn)折電平處出現(xiàn)“跳變”和非線(xiàn)性，數(shù)字校準(zhǔn)級(jí)電路 600就是為了檢測(cè)并且校準(zhǔn)上述一階和三階誤差。如圖8(a)所示，一階誤差導(dǎo)致級(jí)電路模塊的傳輸曲線(xiàn)的斜率小于理想值，后級(jí)量化值Db是輸出模擬電壓的量化值，因此Db的斜率也變小，這樣加上粗量化值D (1. 5bit級(jí)的值為_(kāi)1，0，1)，如圖8(b)所示的完整的傳輸曲線(xiàn)D+Db斜率也變小，同時(shí)在轉(zhuǎn)折電壓處會(huì)出現(xiàn)“跳變”。如圖8 (b)所示，由于偽隨機(jī)數(shù)PN隨機(jī)選擇兩組轉(zhuǎn)折電平，PN = 0和PN = 1 這兩條完整傳輸曲線(xiàn)的“跳變點(diǎn)”不同，如果偽隨機(jī)數(shù)和信號(hào)無(wú)關(guān)，該特點(diǎn)會(huì)使得這兩條完整傳輸曲線(xiàn)的平均值有差異，PN = 0(轉(zhuǎn)折電平為-Vref/4和+Vref/4)的完整傳輸曲線(xiàn)的平均值大于PN= 1(轉(zhuǎn)折電平為-Vref/4+AA^n+Vref/4+AV)完整傳輸曲線(xiàn)的平均值，這個(gè)差異就是之后檢測(cè)一階誤差的依據(jù)。如圖8(a)所示，三階誤差導(dǎo)致級(jí)電路模塊的傳輸曲線(xiàn)向Vi軸“彎曲”，d0和dl分別是PN = 0和PN= i兩條余量傳輸曲線(xiàn)在轉(zhuǎn)折電平處(此處只考慮右半平面，實(shí)際應(yīng)用中可以取兩邊的平均值)的跳變值，PN = 0的余量傳輸曲線(xiàn)在轉(zhuǎn)折電平處的跳變兩端是關(guān)于Vi軸對(duì)稱(chēng)的，根據(jù)函數(shù)的基本性質(zhì)，因此此處的d0要大于dl，這個(gè)差異是之后檢測(cè)三階誤差的依據(jù)。所述M個(gè)數(shù)字校準(zhǔn)級(jí)電路600依次反向串聯(lián)后形成數(shù)字校準(zhǔn)電路，如圖9所示，每一個(gè)數(shù)字校準(zhǔn)級(jí)電路600包括誤差檢測(cè)模塊610和誤差校準(zhǔn)模塊620兩部分，其中誤差檢測(cè)模塊610包括自適應(yīng)窗口 611、一階誤差檢測(cè)模塊612和三階誤差檢測(cè)模塊613，誤差校準(zhǔn)模塊620包括一階誤差校準(zhǔn)模塊622和三階誤差校準(zhǔn)模塊621。所述自適應(yīng)窗口 611可以在校準(zhǔn)過(guò)程中自動(dòng)調(diào)整，以減小輸入信號(hào)對(duì)一階誤差檢測(cè)模塊612工作的影響，穩(wěn)定一階誤差系數(shù)，減小隨機(jī)抖動(dòng)；所述一階誤差檢測(cè)模塊612通過(guò)測(cè)量不同完整傳輸曲線(xiàn)的均值差異更新一階誤差系數(shù)；所述三階誤差檢測(cè)模塊613通過(guò)測(cè)量不同余量傳輸曲線(xiàn)在轉(zhuǎn)折電平出跳變值的差異更新三階誤差系數(shù)。一階誤差用系數(shù)α表示，三階誤差用系數(shù)β表示，校準(zhǔn)公式可以表示成Db(i)= α *D+Db (i+1) + β *Db (i+1)3，三階誤差校準(zhǔn)模塊621 (為了減小硬件規(guī)模，公式中的立方運(yùn)算可通過(guò)查表法得出)和一階誤差校準(zhǔn)模塊622串聯(lián)實(shí)現(xiàn)該公式，實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)功能，輸出校準(zhǔn)后的Db(i)。三階誤差檢測(cè)模塊613用來(lái)更新三階誤差系數(shù)β，具體方式是利用一定數(shù)量時(shí)間周期的經(jīng)過(guò)三階誤差校準(zhǔn)后的后級(jí)量化值Db(i+l) + i3*Db(i+l)3，測(cè)算出上述提到的余量傳輸曲線(xiàn)的兩個(gè)跳變值d0和dl，d0和dl的差異就表示了三階誤差的大小，所以可以根據(jù)這個(gè)差異來(lái)更新三階誤差系數(shù)β。一階誤差檢測(cè)模塊612用來(lái)更新一階誤差系數(shù)α，具體方式是利用一定數(shù)量時(shí)間周期的經(jīng)過(guò)三階誤差和一階誤差校準(zhǔn)的量化值Db (i)，測(cè)算出上述提到的PN = 0和PN = 1兩條完整傳輸曲線(xiàn)的均值差異，該差異值表示一階誤差的大小，所以可以根據(jù)這個(gè)均值的差異來(lái)更新一階誤差系數(shù)α。為了減小輸入信號(hào)對(duì)一階誤差檢測(cè)模塊612的影響，自適應(yīng)窗口 611產(chǎn)生兩個(gè)窗口 Wl和W2用來(lái)選擇進(jìn)入一階誤差檢測(cè)模塊612的Db (i)，如圖8 (b) 所示，只有在窗口 Wl和W2范圍之內(nèi)的Db (i)才進(jìn)入一階誤差檢測(cè)模塊612作為一階誤差的依據(jù)。由于隨著數(shù)字校準(zhǔn)的不斷進(jìn)行，每一個(gè)校準(zhǔn)級(jí)電路模塊500的傳輸曲線(xiàn)是變化的， 為了適應(yīng)該情況，窗口 Wl和W2也是隨著校準(zhǔn)的進(jìn)行而變化的，盡可能減小輸入信號(hào)對(duì)一階誤差檢測(cè)模塊612的影響，穩(wěn)定一階誤差系數(shù)α，減小其抖動(dòng)。以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種可進(jìn)行后臺(tái)數(shù)字校準(zhǔn)的流水線(xiàn)式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于該流水線(xiàn)式模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括依次串聯(lián)的采樣保持電路、M個(gè)可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊、N個(gè)級(jí)電路模塊和后級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，其中每一個(gè)可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊連接一個(gè)與之相對(duì)應(yīng)的數(shù)字校準(zhǔn)級(jí)電路，級(jí)電路模塊和后級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的量化值輸出端口與延時(shí)及錯(cuò)位相加模塊相連接，延時(shí)及錯(cuò)位相加模塊的輸出端反向依次串聯(lián)接入數(shù)字校準(zhǔn)級(jí)電路，M、N為自然數(shù)；所述可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊包括一個(gè)子采樣保持電路、一個(gè)產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)的偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、一個(gè)用來(lái)選擇一組轉(zhuǎn)折電平作為比較器閾值電壓的多路選擇開(kāi)關(guān)、實(shí)現(xiàn)該可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊的模數(shù)轉(zhuǎn)換的子模數(shù)轉(zhuǎn)換器、實(shí)現(xiàn)該可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊的量化值向模擬域轉(zhuǎn)換的子數(shù)模轉(zhuǎn)換器、實(shí)現(xiàn)該可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊輸入和量化等效模擬的減法并進(jìn)行倍數(shù)放大的余量放大電路；所述余量放大電路由減法器和余量放大器構(gòu)成，所述子模數(shù)轉(zhuǎn)換器由比較器和數(shù)字單元構(gòu)成；所述子采樣保持電路與子模數(shù)轉(zhuǎn)換器并聯(lián)接入，偽隨機(jī)發(fā)生器通過(guò)多路選擇開(kāi)關(guān)與子模數(shù)轉(zhuǎn)換器的比較器相連接，子模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端接入子數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入端，子采樣保持電路的輸出端接減法器的正極，子數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端接減法器的負(fù)極，減法器的輸出端接余量放大器的輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可進(jìn)行后臺(tái)數(shù)字校準(zhǔn)的流水線(xiàn)式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于 所述數(shù)字校準(zhǔn)級(jí)電路包括誤差檢測(cè)模塊和誤差校準(zhǔn)模塊，其中誤差檢測(cè)模塊包括在校準(zhǔn)過(guò)程中自動(dòng)調(diào)整以穩(wěn)定一階誤差系數(shù)的自適應(yīng)窗口、一階誤差檢測(cè)模塊和三階誤差檢測(cè)模塊，誤差校準(zhǔn)模塊包括根據(jù)一階誤差檢測(cè)模塊通過(guò)測(cè)量不同完整傳輸曲線(xiàn)的均值差異更新一階誤差系數(shù)的一階誤差校準(zhǔn)模塊、和根據(jù)三階誤差檢測(cè)模塊通過(guò)測(cè)量不同余量傳輸曲線(xiàn)在轉(zhuǎn)折電平處跳變值的差異更新三階誤差系數(shù)的三階誤差校準(zhǔn)模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可進(jìn)行后臺(tái)數(shù)字校準(zhǔn)的流水線(xiàn)式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于 所述M個(gè)可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊共用一個(gè)偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可進(jìn)行后臺(tái)數(shù)字校準(zhǔn)的流水線(xiàn)式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于 所述可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊包括信號(hào)輸入端、運(yùn)算放大器、第一電容和第二電容，當(dāng)可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊位于相位1時(shí)，第一電容和第二電容均連在信號(hào)輸入端和運(yùn)算放大器輸入端之間， 當(dāng)可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊位于相位2時(shí)，第一電容連在運(yùn)算放大器輸入端和運(yùn)算放大器輸出端之間，第二電容連在子數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出端和運(yùn)算放大器輸入端之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的可進(jìn)行后臺(tái)數(shù)字校準(zhǔn)的流水線(xiàn)式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于 所述第一電容和第二電容相同。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種可進(jìn)行后臺(tái)數(shù)字校準(zhǔn)的流水線(xiàn)式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括依次串聯(lián)的采樣保持電路、M個(gè)可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊、N個(gè)級(jí)電路模塊和后級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，其中每一個(gè)可校準(zhǔn)級(jí)電路模塊連接一個(gè)與之相對(duì)應(yīng)的數(shù)字校準(zhǔn)級(jí)電路，級(jí)電路模塊和后級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的量化值輸出端口與延時(shí)及錯(cuò)位相加模塊相連接，延時(shí)及錯(cuò)位相加模塊的輸出端反向依次串聯(lián)接入數(shù)字校準(zhǔn)級(jí)電路。本實(shí)用新型提供的流水線(xiàn)式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模擬電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅在現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和多路選擇開(kāi)關(guān)，并能夠在工作過(guò)程中不影響其他模擬電路的工作；同時(shí)，數(shù)字電路部分的原理簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易，能夠明顯減小流水線(xiàn)式ADC的誤差，提高其線(xiàn)性度，改善其動(dòng)態(tài)性能。
文檔編號(hào)H03M1/10GK201957001SQ20112004040
公開(kāi)日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2011年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月16日
發(fā)明者葉至易, 吳建輝, 張萌, 李紅, 趙煒, 陳超, 顧俊輝 申請(qǐng)人:東南大學(xué)