用于校準(zhǔn)具有多個(gè)通道的流水線(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的方法和裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了用于校準(zhǔn)具有多個(gè)通道的流水線(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)中的級(jí)的方法和裝置。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于校準(zhǔn)具有多個(gè)通道的流水線(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的方法和裝置
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求提交于2012年2月14日的題目為METHOD AND APPARATUS FORDIGITAL CALIBRAT1N OF ANALOG-TO-DIGITAL CONVERTERS HAVING MULTIPLE CHANNELS的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)N0.61/598，509的優(yōu)先權(quán)，通過(guò)引用將其結(jié)合在此。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本申請(qǐng)總的來(lái)說(shuō)涉及模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，并且更具體地，涉及校準(zhǔn)具有多個(gè)通道的流水線(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)中的級(jí)。

【背景技術(shù)】
[0004]在模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換中獲得較高信噪比(SNR)的一種有效方法是并行運(yùn)行兩個(gè)或更多個(gè)ADC。ADC在同一時(shí)刻對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，并且對(duì)它們的數(shù)字輸出求和。如在標(biāo)題為ADC WITH ENHANCED AND/OR ADJUSTABLE ACCURACY 的 PCT 公開(kāi) TO2011/018711 中討論的，已經(jīng)表明，如果兩個(gè)ADC的誤差不相關(guān)，則使用兩個(gè)并行ADC可以導(dǎo)致SNR的3dB的增加。
[0005]需要對(duì)ADC校準(zhǔn)以獲得高精度和線(xiàn)性。偏移誤差、電容器失配誤差和增益誤差導(dǎo)致ADC中的積分非線(xiàn)性(INL)和差分非線(xiàn)性(DNL)誤差。此處公開(kāi)的各種實(shí)施例涉及出于校準(zhǔn)的目的識(shí)別和量化這些誤差的技術(shù)。這些技術(shù)可應(yīng)用于具有兩個(gè)或更多個(gè)并聯(lián)連接的流水線(xiàn)ADC的ADC架構(gòu)。
[0006]概述
[0007]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，提供了一種用于確定流水線(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的用于校準(zhǔn)的變換步長(zhǎng)(transit1n step size)的方法。所述流水線(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器至少具有用于對(duì)輸入模擬信號(hào)采樣的并聯(lián)連接的第一通道和第二通道，每一個(gè)通道包括一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)連接的模數(shù)流水線(xiàn)級(jí)和接收來(lái)自流水線(xiàn)級(jí)的輸出電壓的后端模數(shù)轉(zhuǎn)換器。所述方法包括步驟:(a)選擇與輸入模擬信號(hào)的特定輸入電壓對(duì)應(yīng)的來(lái)自第二通道的給定的輸出碼或輸出碼范圍，所述給定的輸出碼或者輸出碼范圍被選擇為在第一通道的第一流水線(xiàn)級(jí)中的比較器的變換帶內(nèi)；(b)在所述輸入模擬信號(hào)的采樣過(guò)程中，每次檢測(cè)到來(lái)自第二通道的所述給定的輸出碼或者所述輸出碼范圍內(nèi)的輸出碼時(shí)，識(shí)別來(lái)自第一通道的后端模數(shù)轉(zhuǎn)換器的對(duì)應(yīng)的輸出碼和來(lái)自第一通道的第一流水線(xiàn)級(jí)的對(duì)應(yīng)輸出碼；(C)確定所述后端模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出碼對(duì)應(yīng)于來(lái)自第一通道的第一流水線(xiàn)級(jí)的第一輸出碼還是第二輸出碼；(d)執(zhí)行與來(lái)自第一通道的第一流水線(xiàn)級(jí)的第一和第二輸出碼對(duì)應(yīng)的來(lái)自第一通道的后端模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出碼的統(tǒng)計(jì)分析；和(e)基于與來(lái)自第一通道的第一流水線(xiàn)級(jí)的第一和第二輸出碼對(duì)應(yīng)的來(lái)自第一通道的后端模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出碼之間的差，確定變換步長(zhǎng)。
[0008]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)其它實(shí)施例，提供了一種用于校準(zhǔn)流水線(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的方法。所述流水線(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器至少具有用于對(duì)輸入模擬信號(hào)采樣的并聯(lián)連接的第一通道和第二通道，每一個(gè)通道包括一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)連接的模數(shù)流水線(xiàn)級(jí)和接收來(lái)自流水線(xiàn)級(jí)的輸出電壓的后端模數(shù)轉(zhuǎn)換器。所述方法包括步驟:(a)使用來(lái)自所述通道之一的輸出數(shù)據(jù)產(chǎn)生輸入模擬信號(hào)電壓的統(tǒng)計(jì)估計(jì)；(b)使用所述輸入模擬信號(hào)電壓的統(tǒng)計(jì)估計(jì)，估計(jì)一個(gè)或多個(gè)其它通道中的流水線(xiàn)級(jí)的轉(zhuǎn)移特性的誤差；和(C)在校準(zhǔn)例程中使用所估計(jì)的誤差，以去除所述一個(gè)或多個(gè)其它通道中的估計(jì)的誤差。
[0009]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)其它實(shí)施例，提供了一種確定用于流水線(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的校準(zhǔn)的級(jí)增益誤差的方法。所述流水線(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器至少具有并聯(lián)連接的第一通道和第二通道，用于對(duì)輸入模擬信號(hào)采樣，每一個(gè)通道包括一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)連接的模數(shù)流水線(xiàn)級(jí)和后端模數(shù)轉(zhuǎn)換器。所述方法包括步驟:(a)選擇與輸入模擬信號(hào)的特定輸入電壓對(duì)應(yīng)的來(lái)自第二通道的兩個(gè)給定輸出碼；(b)在輸入模擬信號(hào)的采樣過(guò)程中，每次檢測(cè)到來(lái)自第二通道的任一所述給定輸出碼時(shí)，識(shí)別來(lái)自第一通道的后端模數(shù)轉(zhuǎn)換器的對(duì)應(yīng)輸出碼和來(lái)自第一通道的模數(shù)流水線(xiàn)級(jí)的對(duì)應(yīng)輸出電壓；(C)確定與來(lái)自第二通道的所述兩個(gè)給定輸出碼對(duì)應(yīng)的平均電壓值，和確定與來(lái)自第一通道的后端模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出碼對(duì)應(yīng)的來(lái)自第一通道的模數(shù)級(jí)的平均輸出電壓值；和(d)基于與來(lái)自第二通道的所述兩個(gè)給定輸出碼對(duì)應(yīng)的平均電壓值之間的差和與來(lái)自第一通道的后端模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出碼的對(duì)應(yīng)來(lái)自第一通道的模數(shù)級(jí)的平均輸出電壓值之間的差，確定模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)移斜率(transfer slope)。
[0010]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)其它實(shí)施例，提供了一種用于確定流水線(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的用于校準(zhǔn)的級(jí)增益誤差的方法。所述流水線(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有至少一個(gè)通道，所述通道包括一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)連接的模數(shù)流水線(xiàn)級(jí)和后端模數(shù)轉(zhuǎn)換器。所述方法包括步驟:(a)通過(guò)利用表示數(shù)據(jù)的相對(duì)權(quán)重的系數(shù)，組合來(lái)自所述后端模數(shù)轉(zhuǎn)換器和串聯(lián)連接的模數(shù)流水線(xiàn)級(jí)的數(shù)據(jù)，來(lái)產(chǎn)生所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出字；(b)測(cè)量所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出中的碼的出現(xiàn)頻率；(c)獲得其中所述串聯(lián)模數(shù)流水線(xiàn)級(jí)改變值的變換步階(transit1n step);和(d)調(diào)整表示所述數(shù)據(jù)的相對(duì)權(quán)重的系數(shù)，直到所述數(shù)據(jù)在所述變換步階周?chē)拇a范圍上具有特定的給定的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1示意地示出了根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的用于說(shuō)明校準(zhǔn)技術(shù)的具有兩個(gè)ADC通道的代表性的流水線(xiàn)ADC。
[0012]圖2是示出了圖1的ADC中的1.5位流水線(xiàn)級(jí)的代表性轉(zhuǎn)移函數(shù)(transferfunct1n)的圖。
[0013]圖3是示出了理想和非理想的ADC轉(zhuǎn)移曲線(xiàn)的圖。
[0014]圖4是具有正弦波輸入的ADC的BE-ADC輸出的直方圖。
[0015]圖5是完整ADC輸出的直方圖。
[0016]圖6是示出了具有噪聲閾值電壓的一個(gè)比較器電平處的代表性級(jí)轉(zhuǎn)移曲線(xiàn)的圖。
[0017]圖7是示出了標(biāo)記以選定的輸出碼的圖6的級(jí)轉(zhuǎn)移曲線(xiàn)的圖。
[0018]圖8是示出了標(biāo)記以?xún)蓚€(gè)選定的輸出碼的圖6的級(jí)轉(zhuǎn)移曲線(xiàn)的圖。
[0019]圖9是示出了示例性BE-ADC圖的圖。

【具體實(shí)施方式】
[0020]圖1示意地示出了一個(gè)代表性的ADC，提供該ADC以說(shuō)明根據(jù)多種實(shí)施例的校準(zhǔn)技術(shù)。所述ADC包括被稱(chēng)為通道CHl和CH2的兩個(gè)并聯(lián)連接的等同的ADC。雖然該圖中示出了兩個(gè)通道，但應(yīng)當(dāng)理解，此處描述的技術(shù)還可以用于具有多于兩個(gè)通道的ADC。
[0021 ] 通道CHl和CH2是相同的，但是出于說(shuō)明的目的，被在圖1中不同地畫(huà)出。具體地，畫(huà)出通道CHl以明確地示出第一級(jí)STl和后端ADC，BE-ADC，它們也存在于CH2中，雖然未被示出。
[0022]這兩個(gè)通道CHl和CH2在同一時(shí)刻對(duì)相同的輸入信號(hào)采樣。因此，除了噪聲、增益和偏移誤差，輸出值A(chǔ)和B將相等。當(dāng)對(duì)A和B求和時(shí)，因?yàn)榘自肼暠辉谶@兩個(gè)通道之間平均，因此獲得了具有更高分辨率的新的輸出字。CHl和CH2的數(shù)字輸出值是輸入信號(hào)的獨(dú)立的量化值?；蛘?，以統(tǒng)計(jì)術(shù)語(yǔ)表示，可以說(shuō)輸出值A(chǔ)和B是對(duì)公共模擬輸入電壓的統(tǒng)計(jì)估計(jì)。
[0023]出于說(shuō)明的目的，通道CHl中的級(jí)STl是1.5位流水線(xiàn)級(jí)。圖2示出了該級(jí)的轉(zhuǎn)移函數(shù)。該圖中的Y軸表示級(jí)輸出。對(duì)于理想的BE-ADC，來(lái)自BE-ADC的數(shù)字輸出將是對(duì)STl級(jí)輸出的數(shù)字表示。
[0024]BE-ADC對(duì)級(jí)STl的輸出采樣，其被以一定位數(shù)的分辨率通過(guò)圖2的Y軸表示。當(dāng)輸入信號(hào)小于-Vref/4時(shí)，級(jí)STl的數(shù)字輸出是00，在零輸入周?chē)鸀?1，并且當(dāng)輸入高于Vref/4時(shí)為10。級(jí)殘差電壓(residue voltage)被STl傳遞給BE-ADC。數(shù)字延遲和求和元件組合BE-ADC的數(shù)字輸出和STl的數(shù)字輸出，以產(chǎn)生通道輸出，即，圖1中的A。
[0025]為了產(chǎn)生ADC輸出，來(lái)自STl的輸出碼被與來(lái)自BE-ADC的結(jié)果組合，以形成直的ADC轉(zhuǎn)移曲線(xiàn)。盡管實(shí)際實(shí)現(xiàn)方式可能有所改變，這可被以下面的方式解釋:
[0026]對(duì)于來(lái)自級(jí)STl的輸出碼00，來(lái)自BE-ADC的值被減去等于_Vref/4處的變換步階的最低有效位(LSB)的量。對(duì)于碼01，可以直接使用來(lái)自BE-ADC的碼。對(duì)于碼10，該值被增加等于+Vref/4處的變換步階的LSB的量。這意味著，根據(jù)分別來(lái)自STl和BE-ADC的數(shù)據(jù)的相對(duì)權(quán)重，組合來(lái)自STl的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和BE-ADC數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生ADC輸出碼。
[0027]對(duì)于普通的不校準(zhǔn)的流水線(xiàn)ADC，假設(shè)級(jí)STl的增益嚴(yán)格等于2，并且因此變換步階應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確地為Vref (從+Vref/2到-Vref/2)。換言之，來(lái)自STl的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的相對(duì)權(quán)重是來(lái)自BE-ADC的數(shù)據(jù)的權(quán)重的兩倍。由于電容器失配誤差、不充分的放大器增益、或者偏移誤差，變換步階可能具有不同于該理想值的實(shí)際值。這將導(dǎo)致，作為例子，圖3中所示的非理想的轉(zhuǎn)移曲線(xiàn)。
[0028]大部分現(xiàn)有技術(shù)的校準(zhǔn)方案涉及獲得該變換步階的大小或與該步長(zhǎng)(步階大小)具有緊密數(shù)學(xué)關(guān)系的相關(guān)值。因此，如果可以測(cè)量該變換步長(zhǎng)，其可被用于大多數(shù)已知的校準(zhǔn)方案。測(cè)量變換步長(zhǎng)的已知方法可能需要額外的模擬電路。這顯著地增加了模擬復(fù)雜度，并且限制了該電路的最大操作速度。
[0029]另外，在校準(zhǔn)周期中測(cè)量的值(通常涉及單獨(dú)的硬件)須等于在正常操作過(guò)程中獲得的值。這難以實(shí)現(xiàn)并且在已經(jīng)是具有挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)周期中引入附加的困難的驗(yàn)證(verificat1n)步驟。
[0030]獲得變換步長(zhǎng)誤差
[0031]如果給ADC施加正弦波輸入，BE-ADC的輸出將表現(xiàn)如圖4的直方圖所示。紅點(diǎn)對(duì)應(yīng)于當(dāng)STl具有碼00時(shí)的數(shù)據(jù)，綠點(diǎn)對(duì)應(yīng)于碼01，并且藍(lán)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于碼10。如果考慮來(lái)自STl的碼重建該直方圖，該直方圖將看起來(lái)如圖5所示。
[0032]在圖5中，紅點(diǎn)被向左移動(dòng)(通過(guò)值的減小)，并且藍(lán)點(diǎn)被向右移動(dòng)(通過(guò)值的增加)。如果ADC的INL和DNL是完美的，則直方圖中的點(diǎn)密度應(yīng)當(dāng)在直方圖的碼范圍上是平滑的。從該圖中顯然可見(jiàn)，如果用于變換步階的值過(guò)高，則紅色和藍(lán)色段將向旁邊移動(dòng)太遠(yuǎn)。并且對(duì)于大的誤差，在直方圖中將出現(xiàn)遺失碼(missing code)，并且因此ADC將具有遺失碼和嚴(yán)重的INL誤差。如果用于變換步階的值太低，則碼將擁擠在變換步階周?chē)?，也將?dǎo)致總的INL誤差。
[0033]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，可以對(duì)于變換步階的各種值監(jiān)視和計(jì)算圖5中的直方圖的變換步階周?chē)膮^(qū)域中的平均的總的碼密度。如在上段中描述的，當(dāng)碼分布盡可能均勻時(shí)，重建的波形的線(xiàn)性誤差將最小。一種可能的算法將是使用圖5的直方圖，并為對(duì)于就在變換步階之下、該變換步階之上和該變換步階中間的段計(jì)算每個(gè)碼的命中平均數(shù)。圖5所示的直方圖是按照定義示出了 Y軸上的出現(xiàn)頻率相對(duì)于X軸上的ADC輸出碼的圖。對(duì)于獲得變換步階，或者換言之，在將來(lái)自STl和BE-ADC的數(shù)據(jù)重組為輸出數(shù)字字時(shí)使用的STl數(shù)字碼的相對(duì)權(quán)重，算法可以解釋如下。該解釋僅僅提供用于說(shuō)明確定變換步階的一般原貝U，對(duì)于實(shí)際的實(shí)現(xiàn)方式，存在若干替代方案。
[0034]假設(shè)確定碼2500周?chē)淖儞Q步階。于是，獲得從碼2000到2100 (紅點(diǎn))或者另一個(gè)適合的碼范圍的出現(xiàn)頻率的平均。從圖5中可見(jiàn)，在此具體情況下，該平均值恰在50之上。然后，獲得從碼2900到碼3000(綠點(diǎn))或者另一個(gè)適合的碼范圍的出現(xiàn)頻率的平均值。在圖5所示的情況下，這恰在50之下。然后，可以取這兩個(gè)平均值之間的平均，產(chǎn)生接近50的值。于是，該值將表示該變換帶周?chē)话ㄔ撟儞Q帶的出現(xiàn)頻率的平均值。
[0035]然后，應(yīng)當(dāng)取包括紅色和綠色點(diǎn)兩者的變換帶(近似從碼2400到碼2600)內(nèi)的碼的平均值。然后，應(yīng)當(dāng)調(diào)整用于基于STl和BE-ADC數(shù)據(jù)產(chǎn)生數(shù)字輸出字的數(shù)字再組合的變換步階，直到變換帶內(nèi)的平均值等于在該變換帶周?chē)话ㄔ撟儞Q帶的平均值。這等同于獲得盡可能線(xiàn)性或者平滑地給出該變換步階周?chē)?包括紅色和綠色點(diǎn))的總出現(xiàn)頻率的變換步階值?？梢?jiàn)，如果該變換步階的值太低，則紅色曲線(xiàn)將不能被充分向左移動(dòng)，并且當(dāng)對(duì)紅色和綠色點(diǎn)求和時(shí)，在變換帶內(nèi)該出現(xiàn)頻率將增加。這將使得變換帶中的平均值過(guò)高。當(dāng)變換步階過(guò)高時(shí)，將發(fā)生相反的情況。
[0036]然而，該算法可能需要輸入信號(hào)的某些性質(zhì)以收斂。該輸入信號(hào)應(yīng)該具有這樣的性質(zhì)，其使得輸出直方圖是平滑曲線(xiàn)，在變換帶之下、之內(nèi)和之上具有可預(yù)測(cè)出現(xiàn)頻率。其將不是對(duì)于任意的輸入信號(hào)都收斂的。因此，可以采用并行ADC CH2來(lái)進(jìn)一步改進(jìn)該技術(shù)，該并行ADC CH2z用于估計(jì)公共輸入信號(hào)的性質(zhì)。
[0037]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，提供了一種精確地獲得變換步長(zhǎng)而不使用額外硬件的方法?？梢酝ㄟ^(guò)分析基于任意輸入信號(hào)的來(lái)自級(jí)ST1、BE-ADC和通道CH2的輸出數(shù)據(jù)，獲得該變換步長(zhǎng)。由于CH2數(shù)字輸出是在每個(gè)采樣時(shí)刻的模擬輸入信號(hào)的統(tǒng)計(jì)估計(jì)，因而使得使用任意輸入信號(hào)成為可能。因此，在多種不同方案中可以使用該估計(jì)，來(lái)通過(guò)能夠估計(jì)特定模擬輸入電壓的理想電壓或者信號(hào)，估計(jì)CHl內(nèi)的誤差電壓。對(duì)于此處描述的特定方案，該輸入信號(hào)應(yīng)當(dāng)至少在校準(zhǔn)周期的期間內(nèi)具有足夠的幅值，以跨展ADC的整個(gè)輸入信號(hào)范圍，或者第一級(jí)(即，STl)中的所有比較器級(jí)別。如果，例如，在生產(chǎn)測(cè)試過(guò)程中進(jìn)行了部分校準(zhǔn)，這可被確保。
[0038]需要考慮以解釋該算法的操作的該直方圖的另一個(gè)特征是變換帶的寬度。如果比較器在-Vref/4和+Vref/4是理想的，則變換將在一個(gè)特定碼處發(fā)生。然而，由于比較器中在-Vref/4和+Vref/4處的噪聲及其它隨機(jī)誤差源，每次ADC采樣時(shí)實(shí)際的變換發(fā)生改變。這導(dǎo)致紅色和綠色點(diǎn)之間以及綠色和藍(lán)色點(diǎn)之間的變換帶?？梢匀鐖D6所示，以級(jí)轉(zhuǎn)移曲線(xiàn)示出了該效果。
[0039]由于數(shù)字校正邏輯使用設(shè)計(jì)在流水線(xiàn)級(jí)體系結(jié)構(gòu)中的冗余來(lái)解決這些誤差，比較器隨機(jī)誤差本身不成問(wèn)題。以如下面解釋的，可以以一種替換方式使用這種隨機(jī)行為，來(lái)確定步長(zhǎng)的大小。
[0040]一種用于校準(zhǔn)的已知方法是將模擬輸入從ADC斷開(kāi)，并且在數(shù)字控制下使用附加硬件，以迫使該級(jí)產(chǎn)生圖6中的點(diǎn)A和B處的輸出電壓。然后，用BE-ADC測(cè)量這些電壓，這等同于確定該圖中點(diǎn)A和B的Y軸值。然后，計(jì)算步長(zhǎng)為點(diǎn)A和點(diǎn)B的Y軸值的差。
[0041]對(duì)于根據(jù)多種實(shí)施例的方法，不使用額外的模擬硬件。代之以，選擇來(lái)自CH2的特定輸出碼(碼Y)。替代地，可以使用碼Y周?chē)男〉妮敵龃a范圍。由于兩個(gè)通道在相同時(shí)刻對(duì)相同輸入采樣，因此來(lái)自CH2的特定輸出碼與CHl的特定輸入電壓對(duì)應(yīng)。這相當(dāng)于對(duì)于給定的輸入信號(hào)電壓選擇CHl樣本。以統(tǒng)計(jì)術(shù)語(yǔ)而言，這可被表不為使用CH2輸出作為ADC輸入電壓的估計(jì)，并且基于該輸入電壓估計(jì)選擇通過(guò)CHl的樣本。如圖7所示，碼Y被選擇為在STl中的比較器之一的變換帶內(nèi)。每當(dāng)出現(xiàn)碼Y，觀察來(lái)自BE-ADC的對(duì)應(yīng)的輸出碼?；谶@些發(fā)生出現(xiàn)，可以構(gòu)建BE-ADC輸出碼的直方圖，或者找到其它適合的方法以分析數(shù)據(jù)。
[0042]取決于STl的比較器中的判決，該輸出碼將在頂部交點(diǎn)或底部交點(diǎn)處。如圖中所示，對(duì)應(yīng)的BE-ADC輸出碼可被標(biāo)記為DOO和DOI。
[0043]然后，可以計(jì)算變換步長(zhǎng)StS為StS = D00-D01。由于僅僅使用來(lái)自CH2ADC的一單個(gè)輸出碼，CH2ADC中的線(xiàn)性誤差、偏移誤差和增益誤差不是問(wèn)題并且將不影響結(jié)果。變換步長(zhǎng)StS的估計(jì)的準(zhǔn)確度將依賴(lài)于各種隨機(jī)噪聲源。但是，可以通過(guò)增加計(jì)算中使用的樣本數(shù)目，來(lái)平均掉該噪聲。因此，在捕獲樣本所需的時(shí)間和獲得的準(zhǔn)確度之間將有折衷。還可以通過(guò)，還可以通過(guò)考慮對(duì)來(lái)自CH2的多個(gè)輸出碼進(jìn)行類(lèi)似操作的變換帶中的所有樣本，來(lái)計(jì)算該步長(zhǎng)。因?yàn)閿?shù)據(jù)點(diǎn)的總數(shù)將顯著增加，導(dǎo)致隨機(jī)噪聲的更好的平均，這可以允許算法的更快的收斂時(shí)間。
[0044]獲得級(jí)增益誤差
[0045]以類(lèi)似的方式，可以確定STl轉(zhuǎn)移曲線(xiàn)的每一段中的增益誤差。如圖3所示，與輸出碼00、01和10對(duì)應(yīng)的段中的每一段中的斜率可以不同。通過(guò)如圖8所示，定義段內(nèi)的兩個(gè)CH2輸出碼(碼C和D)，并且分別收集這兩個(gè)碼的BE-ADC直方圖，該段內(nèi)的斜率對(duì)應(yīng)于兩個(gè)得到BE-ADC碼DtodeD和DtodeC之間的距離，以及碼C和碼D之間的距離。在這種情況下，CH2中的線(xiàn)性誤差將影響測(cè)量。然而，可以定義多于兩個(gè)碼，以獲得CH2ADC的不同部分的若干測(cè)量?？梢允褂酶髷?shù)目的測(cè)量來(lái)計(jì)算對(duì)實(shí)際斜率的更好的估計(jì)。
[0046]還可以將兩個(gè)碼C和碼D置于變換帶內(nèi)，并因此同時(shí)計(jì)算兩個(gè)段中的斜率差。這將允許比較斜率，而獨(dú)立于CH2ADC中的線(xiàn)性誤差。
[0047]用于步長(zhǎng)估計(jì)的替換方法
[0048]現(xiàn)在討論一種用于分析特性以獲得例如變換步長(zhǎng)的替換方法。取代分析對(duì)于CH2的僅僅一個(gè)輸出碼的來(lái)自BE-ADC的數(shù)據(jù)，可以對(duì)每個(gè)CH2輸出碼重復(fù)相同的操作。下面的偽代碼示出了用于這種分析的示例算法。假設(shè)CHl和CH2的兩個(gè)ADC中的每一個(gè)中存在2N個(gè)碼，其中N是ADC中的位數(shù)。還假設(shè)捕獲M樣本量(sample size)，并假設(shè)M充分大，并且到ADC的輸入信號(hào)為使得所有N個(gè)輸出碼在CHl和CH2兩者中命中若干次。示例的算法如下:
[0049]對(duì)于I = I 到 2~N
[0050]獲得命中CH2的碼I的所有樣本的樣本數(shù)(在向量I到M中)
[0051]使用統(tǒng)計(jì)方法獲得對(duì)于相同樣品數(shù)的所有BE-ADC樣本的表示
[0052]在向量SBE-ADC的索引I中存儲(chǔ)該統(tǒng)計(jì)表示
[0053]結(jié)束
[0054]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，該統(tǒng)計(jì)方法可以是，例如，BE-ADC樣本的平均或者中值，以定義對(duì)于CH2的給定輸出碼的BE-ADC的期望輸出值。由于CH2的輸出是到兩個(gè)ADC CHl和CH2的公共輸入電壓的估計(jì)，因此上面的算法經(jīng)過(guò)ADC的輸入范圍，并根據(jù)ADC輸入電壓產(chǎn)生BE-ADC輸出碼的估計(jì)。因此，向量SBE-ADC中的值將表示通過(guò)選擇的統(tǒng)計(jì)方法定義的BE-ADC輸出碼的期望值，并且該向量的索引將表示CH2輸出碼。如果CH2是理想的ADC，則CH2輸出碼將是對(duì)于ADC輸入電壓的理想表示。
[0055]圖9示出了 BE-ADC的示例圖。對(duì)比圖9和圖2，可見(jiàn)該算法可用于以任意輸入信號(hào)產(chǎn)生STl殘差圖(residue plot)的估計(jì)。
[0056]基于SBE-ADC，可以使用多種統(tǒng)計(jì)方法估計(jì)如變換步長(zhǎng)之類(lèi)的殘差圖的重要特性和每一段內(nèi)的增益。這些特性可用于補(bǔ)償STl中的誤差。
[0057]一般而言，上面所述的所有方法可被解釋為使用并行ADC通道確定公共輸入信號(hào)電壓的估計(jì)，使用該估計(jì)獲得CHlADC內(nèi)部的期望信號(hào)值，以及基于該估計(jì)和測(cè)量的內(nèi)部信號(hào)值之間的差，估計(jì)誤差項(xiàng)或者校正系數(shù)。
[0058]通過(guò)獲得適當(dāng)?shù)腃H2ADC碼以觀察BE-ADC碼，還可以對(duì)CHlADC中的其它級(jí)使用類(lèi)似的方法。注意，在這種情況下，BE-ADC將不同，這是由于BE-ADC僅僅包含校準(zhǔn)的級(jí)之后的級(jí)。還可以使用相同的方法切換ADC并校準(zhǔn)CH2，而不是CH1。以這種方式，可以完全校準(zhǔn)存在并行量化相同輸入信號(hào)的至少兩個(gè)ADC通道的ADC的所有通道中的所有級(jí)。
[0059]為了校準(zhǔn)ADC的第一級(jí)中的所有變換步階，輸入信號(hào)應(yīng)該至少跨該級(jí)中的所有比較器閾值。這可以以幾種方式處理，包括如下:
[0060]1.后臺(tái)校準(zhǔn)(在正常操作過(guò)程中)一因?yàn)樵摲椒ú恍枰魏翁厥獾哪M操作模式，它可以在ADC的正常操作過(guò)程中運(yùn)行,而沒(méi)有任何操作中斷。
[0061]2.動(dòng)態(tài)收斂時(shí)間一在某些實(shí)施例中，該方法可能要求必須在進(jìn)行計(jì)算之前收集對(duì)于DOO和DOl (或者，等同限定的任何碼)的一定數(shù)目的命中，以獲得測(cè)量中的充分低的噪聲。在這種情況下，該算法將在執(zhí)行校準(zhǔn)之前等待，直到輸入信號(hào)充分地跨展該輸入范圍。
[0062]3.生產(chǎn)測(cè)試校準(zhǔn)一大部分誤差影響依賴(lài)于某個(gè)芯片的隨機(jī)失配。這不會(huì)隨著電源和溫度顯著改變。放大器(OTA)增益是具有最大變化的參數(shù)。OTA增益將影響轉(zhuǎn)移曲線(xiàn)的斜率。然而，斜率改變?cè)诿恳欢沃袑⑹窍嗟?或者，至少非常類(lèi)似)的，并且它在每一級(jí)之間將是強(qiáng)相關(guān)的。
[0063]4.僅僅后臺(tái)增益校準(zhǔn)一可以在若干級(jí)中監(jiān)視該斜率，并且基于從流水線(xiàn)改變下游的級(jí)得到的增益改變，對(duì)增益因子進(jìn)行全局調(diào)整。在這些級(jí)中，由于前面的級(jí)增益，即使對(duì)于小的輸入信號(hào)，級(jí)將很快具有顯著的輸入電壓擺動(dòng)。
[0064]還可以通過(guò)監(jiān)視變換步階來(lái)監(jiān)視放大器增益改變。如果在操作過(guò)程中所有變換步階在相同方向以相同幅度改變，則可以推定OTA增益已經(jīng)改變，并且因此調(diào)整所有增益系數(shù)。
[0065]如此已經(jīng)描述了若干說(shuō)明性實(shí)施例，應(yīng)理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易想到各種改變、修改和改善。這些改變、修改和改善也構(gòu)成本公開(kāi)的一部分，并且在本公開(kāi)的精神和范圍內(nèi)。雖然此處給出的某些示例涉及功能或者結(jié)構(gòu)元件的特定組合，但應(yīng)當(dāng)理解，這些功能和元件可以根據(jù)本公開(kāi)以其它方式組合，以實(shí)現(xiàn)相同或者不同的目的。具體地，結(jié)合一個(gè)實(shí)施例討論的動(dòng)作、元件和特征不應(yīng)被從其它實(shí)施例中的類(lèi)似的或者其它作用排除。
[0066]另外，此處描述的元件和組件可以進(jìn)一步劃分為另外的組件，或者被結(jié)合在一起以形成用于執(zhí)行相同功能的更少的組件。
[0067]因此，前面的描述和附圖僅僅作為示例，并不意圖作為限制。
【權(quán)利要求】
1.一種在流水線(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器中用于確定變換步長(zhǎng)以用于校準(zhǔn)的方法，所述流水線(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器至少具有并聯(lián)連接的第一通道和第二通道，用于對(duì)輸入模擬信號(hào)采樣，每一個(gè)通道包括一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)連接的模數(shù)流水線(xiàn)級(jí)以及接收來(lái)自流水線(xiàn)級(jí)的輸出電壓的后端模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述方法包括步驟: (a)選擇與輸入模擬信號(hào)的特定輸入電壓對(duì)應(yīng)的來(lái)自第二通道的給定輸出碼或者輸出碼范圍，所述給定輸出碼或者輸出碼范圍被選擇為在第一通道的第一流水線(xiàn)級(jí)中的比較器的變換帶內(nèi)； (b)在對(duì)所述輸入模擬信號(hào)的采樣過(guò)程中，每次檢測(cè)到來(lái)自第二通道的所述給定的輸出碼或者所述輸出碼范圍內(nèi)的輸出碼時(shí)，識(shí)別來(lái)自第一通道的后端模數(shù)轉(zhuǎn)換器的對(duì)應(yīng)的輸出碼和來(lái)自第一通道的第一流水線(xiàn)級(jí)的對(duì)應(yīng)的輸出碼； (C)確定所述后端模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出碼對(duì)應(yīng)于來(lái)自第一通道的第一流水線(xiàn)級(jí)的第一輸出碼還是第二輸出碼； (d)執(zhí)行與來(lái)自第一通道的第一流水線(xiàn)級(jí)的第一輸出碼和第二輸出碼對(duì)應(yīng)的來(lái)自第一通道的后端模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出碼的統(tǒng)計(jì)分析；和 (e)基于與來(lái)自第一通道的第一流水線(xiàn)級(jí)的第一輸出碼和第二輸出碼對(duì)應(yīng)的來(lái)自第一通道的后端模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出碼之間的差，確定變換步長(zhǎng)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述變換步長(zhǎng)被用于校準(zhǔn)所述流水線(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中執(zhí)行輸出碼的統(tǒng)計(jì)分析包括計(jì)算所述輸出碼的碼密度的平均值或者中值。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)連接的模數(shù)流水線(xiàn)級(jí)包括多個(gè)流水線(xiàn)級(jí)，并且還包括確定所述流水線(xiàn)級(jí)中的每一級(jí)的變換步長(zhǎng)。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括同時(shí)確定第二通道的流水線(xiàn)級(jí)的變換步長(zhǎng)。
6.一種用于校準(zhǔn)流水線(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的方法，所述流水線(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器至少具有并聯(lián)連接的第一通道和第二通道，用于對(duì)輸入模擬信號(hào)采樣，每一個(gè)通道包括一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)連接的模數(shù)流水線(xiàn)級(jí)以及接收來(lái)自流水線(xiàn)級(jí)的輸出電壓的后端模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述方法包括步驟: (a)使用來(lái)自所述通道中的一個(gè)通道的輸出數(shù)據(jù)產(chǎn)生所述輸入模擬信號(hào)電壓的統(tǒng)計(jì)估計(jì)； (b)使用所述輸入模擬信號(hào)電壓的統(tǒng)計(jì)估計(jì)，估計(jì)一個(gè)或多個(gè)其它通道中的流水線(xiàn)級(jí)的轉(zhuǎn)移特性的誤差；和 (C)在校準(zhǔn)例程中使用所述估計(jì)的誤差來(lái)去除所述一個(gè)或多個(gè)其它通道中的估計(jì)的誤差。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中產(chǎn)生輸入模擬信號(hào)電壓的統(tǒng)計(jì)估計(jì)包括對(duì)所述輸入模擬信號(hào)電壓進(jìn)行平均。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，還包括同時(shí)估計(jì)其它通道中的誤差。
9.一種在流水線(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器中用于確定級(jí)增益誤差以用于校準(zhǔn)的方法，所述流水線(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器至少具有并聯(lián)連接的第一通道和第二通道，用于對(duì)輸入模擬信號(hào)采樣，每一個(gè)通道包括一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)連接的模數(shù)流水線(xiàn)級(jí)以及后端模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述方法包括步驟: (a)選擇與所述輸入模擬信號(hào)的特定輸入電壓對(duì)應(yīng)的來(lái)自第二通道的兩個(gè)給定輸出碼； (b)在輸入模擬信號(hào)的采樣過(guò)程中，每次檢測(cè)到來(lái)自第二通道的任一所述給定輸出碼時(shí)，識(shí)別來(lái)自第一通道的后端模數(shù)轉(zhuǎn)換器的對(duì)應(yīng)輸出碼和來(lái)自第一通道的模數(shù)流水線(xiàn)級(jí)的對(duì)應(yīng)的輸出電壓； (C)確定與來(lái)自第二通道的所述兩個(gè)給定輸出碼對(duì)應(yīng)的平均電壓值，和確定與來(lái)自第一通道的后端模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出碼對(duì)應(yīng)的來(lái)自第一通道的模數(shù)級(jí)的平均輸出電壓值；和 (d)基于與來(lái)自第二通道的所述兩個(gè)給定輸出碼對(duì)應(yīng)的平均電壓值之間的差和與來(lái)自第一通道的后端模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出碼對(duì)應(yīng)的來(lái)自第一通道的模數(shù)級(jí)的平均輸出電壓值之間的差，確定模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)移斜率。
10.一種在流水線(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器中用于確定級(jí)增益誤差以用于校準(zhǔn)的方法，所述流水線(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有至少一個(gè)通道，所述通道包括一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)連接的模數(shù)流水線(xiàn)級(jí)以及后端模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述方法包括步驟: (a)通過(guò)利用表示數(shù)據(jù)的相對(duì)權(quán)重的系數(shù)，組合來(lái)自所述后端模數(shù)轉(zhuǎn)換器和串聯(lián)連接的模數(shù)流水線(xiàn)級(jí)的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出字； (b)測(cè)量所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出中的碼的出現(xiàn)頻率； (c)獲得其中串聯(lián)連接的模數(shù)流水線(xiàn)級(jí)改變值的變換步階；和 (d)調(diào)整表示數(shù)據(jù)的相對(duì)權(quán)重的系數(shù)，直到所述數(shù)據(jù)在所述變換步階周?chē)拇a范圍上具有特定的給定的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中步驟(d)包括調(diào)整表示數(shù)據(jù)的相對(duì)權(quán)重的系數(shù)，直到所述出現(xiàn)頻率在所述變換步階周?chē)拇a范圍上是基本連續(xù)的。
【文檔編號(hào)】H03M1/44GK104254975SQ201380009490
【公開(kāi)日】2014年12月31日 申請(qǐng)日期:2013年2月14日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月14日
【發(fā)明者】O·莫德斯維爾 申請(qǐng)人:赫梯特微波公司