流水線adc的后臺(tái)校準(zhǔn)方法及電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種流水線ADC的后臺(tái)校準(zhǔn)方法及電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 高速高精度流水線ADC (模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器）是模擬集成電路的重要組成部分。 如圖1所示，流水線ADC包含多個(gè)流水級(jí)，其中前N個(gè)流水級(jí)中每個(gè)流水級(jí)輸出兩個(gè)信號(hào)， 其中的數(shù)字輸出信號(hào)V ADe輸出到數(shù)字信號(hào)處理單元，余量輸出信號(hào)心輸出到下一個(gè)流水級(jí)。 其中前N個(gè)流水級(jí)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其包括子ADC、子DAC、減法器、以及余量放大器等。
[0003] 參照?qǐng)D2,在流水線ADC的每個(gè)流水級(jí)中，將模擬輸入信號(hào)Vin (nTs)輸入到子ADC 中進(jìn)行量化產(chǎn)生數(shù)字輸出信號(hào)VADe[n];然后將該數(shù)字輸出信號(hào)VADe[n]送入子DAC中進(jìn)行數(shù) 模轉(zhuǎn)換得到一個(gè)模擬量，用模擬輸入信號(hào)V in(nTs)減去該模擬量，得到余量（residue)信號(hào) Vras(nTs);將該余量信號(hào)Vras(nTs)經(jīng)余量放大器放大后得到余量輸出信號(hào)R n(nTs)。該余量 輸出信號(hào)Rn(nTs)輸出到下一個(gè)流水級(jí)，作為下一個(gè)流水級(jí)的模擬輸入信號(hào)。
[0004] 余量放大器中包含的運(yùn)算放大器，通常會(huì)由于其增益不足、以及其與其前端的電 容（例如采樣電容、反饋電容等）之間的不匹配而導(dǎo)致一階和三階誤差。隨著流水線ADC 的制造進(jìn)入深亞微米工藝，運(yùn)算放大器引入的一階和三階誤差變得明顯，減小了流水線ADC 的線性度，使得SFDR變差，增加了噪底。傳統(tǒng)的ADC的校準(zhǔn)方法只對(duì)運(yùn)算放大器的一階系 數(shù)進(jìn)行了校準(zhǔn)，并不能校準(zhǔn)其引入的三階誤差。近年來也有些方案提出了同時(shí)校準(zhǔn)余量放 大器的一階和三階系數(shù)，但是這些校準(zhǔn)算法的收斂速度較慢。
[0005] 對(duì)ADC的校準(zhǔn)方法通常分為前臺(tái)校準(zhǔn)和后臺(tái)校準(zhǔn)。前臺(tái)校準(zhǔn)需要當(dāng)ADC停止工作 后再進(jìn)行校準(zhǔn)，而后臺(tái)校準(zhǔn)可以在ADC的工作過程中進(jìn)行校準(zhǔn)，并且當(dāng)外界因素（例如，溫 度、電源電壓等）發(fā)生變化后，實(shí)時(shí)對(duì)余量放大器的一階和三階誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。
[0006] 本發(fā)明旨在提出一種能夠快速地同時(shí)校準(zhǔn)運(yùn)算放大器引入的一階和三階誤差的 后臺(tái)校準(zhǔn)方法及電路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于，提出一種流水線ADC的后臺(tái)校準(zhǔn)方法及電路，在能夠同時(shí)校 準(zhǔn)運(yùn)算放大器引入的一階和三階誤差的同時(shí)，提高了校準(zhǔn)算法的收斂速度。
[0008] 為此，本發(fā)明提供了一種流水線ADC的后臺(tái)校準(zhǔn)方法，用于流水線ADC的每個(gè)需 要校準(zhǔn)的流水級(jí)，該方法包括：步驟S0 :將與當(dāng)前流水級(jí)的模擬輸入信號(hào)Vin(nTs)相關(guān)的 第一輸入信號(hào)Vin+(nT s)和第二輸入信號(hào)Vin (nTs)分別輸入第一和第二通道，所述第一和 第二通道均包括依次連接的子ADC、子DAC、減法器、和余量放大器，其中，將所述第一輸入 信號(hào)V in+(nTs)經(jīng)過所述第一通道的子ADC量化之后的第一數(shù)字輸出信號(hào)VADC1[n]，與第 一隨機(jī)數(shù)P nl[n]加和后輸入到所述第一通道的子DAC，將所述第二輸入信號(hào)Vin (nTs)經(jīng) 過所述第二通道的子ADC量化之后的第二數(shù)字輸出信號(hào)￥^2[11]，與第二隨機(jī)數(shù)P n2[n] 加和后輸入到所述第二通道的子DAC;步驟S1 :將所述第一通道的余量放大器輸出的第 一余量輸出信號(hào)VR1(nTs)輸出到下一個(gè)流水級(jí)的第一通道，并將所述當(dāng)前流水級(jí)之后的 所有流水級(jí)的第一通道輸出的每個(gè)數(shù)字輸出信號(hào)進(jìn)行線性加和，得到第一后端輸出信 號(hào)Rnl[n];并且，將所述第二通道的余量放大器輸出的第二余量輸出信號(hào)V R2(nTs)輸出 到下一個(gè)流水級(jí)的第二通道，并將所述當(dāng)前流水級(jí)之后的所有流水級(jí)的第二通道輸出的 每個(gè)數(shù)字輸出信號(hào)進(jìn)行線性加和，得到第二后端輸出信號(hào)R n2[n];以及，步驟S2 :將所述 第一數(shù)字輸出信號(hào)VADei[n]和第二數(shù)字輸出信號(hào)VADe2[n]、所述第一隨機(jī)數(shù)P nl[n]和第 二隨機(jī)數(shù)Pn2[n]、所述第一后端輸出信號(hào)Rnl[n]和第二后端輸出信號(hào)R n2[n]進(jìn)行后處理 過程，以得到校準(zhǔn)后的輸出信號(hào)Do [n]，其中，所述第一輸入信號(hào)Vin+(nTs)和第二輸入信 號(hào)Vin (nTs)滿足：
，所述第一隨機(jī)數(shù)Pnl[n] "Apnl Pn[nJ; (Ctrl[1:0] = 00) Apn2 -PnW； (Ctrl [1:0] = 01) ^ ^ ： Pril[n] ^ A；nl Pn[nJ; (Ctrlfl: 0] . 10)^ ^ ? ^ ^ P ^ W ^ ^ ： Apn2 Pn[n]; (Ctrl[1:0] = 11) r Apnl-Pn[n];(Ctrl[l:0]-00) Apri2 -PnMjCCtrlfliO] - 01) 匕刺=U .lpnl _，其中，咖1[1 :0]為控制信號(hào)，Pn[n]為 Apn2 Pn[n];(Ctrl[1:0] = 11) 均值為〇且取值為1和-1的隨機(jī)信號(hào)，Apnl、Apn2和u分別為三個(gè)常數(shù)。
[0009] 進(jìn)一步地，所述后處理過程包括：步驟S21 :根據(jù)如下公式計(jì)算第一中間值temp和 第二中間值nn， rtempOO; (Ctrl 11: 0] = 00)
[0010] temp = mean((Rnl[n] + RnZ[n]] Pnl[n]) = | Jq； [ctrl[ 1: 0] = 10)? vtempll; (Ctrl[l: 0] = 11) pin00;(Ctrl[l:0] = 00)
[0011 ]腳=mean((Rnl [n] + Pnl [nOT vnnll; (Ctrl|l: 0] = 11) 示統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)括號(hào)中的內(nèi)容的均值，tempOO、tempOl、templO和templl分別表示所述 第一中間值temp的四個(gè)狀態(tài)的值，nn00、nnOl、nnlO和nnll分別表示所述第二中間 值nn的四個(gè)狀態(tài)的值；步驟S22:計(jì)算所述校準(zhǔn)后的輸出信號(hào)Do[n]，其中，先求解如 下線性方程組得到所述第一通道的余量放大器的第一一階誤差系數(shù)a n和第一三階誤 差系數(shù)a 13、以及第二通道的余量放大器的第二一階誤差系數(shù)a 21和第二三階誤差系 1 1 ^li k11L 「(叉11"| b-L i i 1^91 1 CX91 數(shù)〇23，i i k3i k32 a13 = g，其中，kn、k21、k31、k32、M^k 4Aim 1 u k41 k4J li>4- r kl1L - (Apnl2 + 3nn00) k?'i = (Apn22 + 3nn01) k3i = (Apnl2 + 3rml0) 據(jù)如下公式計(jì)算，< = &i3a , - 3u _ nnK)j，bp b2、b#P b 4分別根據(jù)如下公 ^41 - (Apn2'' + 3nnll) 、k42 = (u3Apn/ _ 3u nnl l.) 式計(jì)算，
.再根據(jù)如下公式得到修正后的第一后端輸出信號(hào) Rni[n] |COTlwted和修正后的第二后端輸出信號(hào)Rn2[n] |ra"ected，
從而根據(jù)如下公式得到所 述校準(zhǔn)后的輸出信號(hào) Do[n]，Do[n] = VADC1[n]-VADC2[n]+Rnl[n] |ra:riwted-Rn2[n] corrected+Pnl [n] +Pn2 [n]。
[0013] 所述控制信號(hào)Ctrl [1 :0]滿足如下公式： / 00; (1 < i < N) 〇1 fN + 1 < i < 2N0
[0014] Ctrl[l:0] = j 3N^，其中，i表示第i次采樣，N表示所述控 111, (3N + 1 <i<4N) 制信號(hào)Ctrl[l :0]的每個(gè)狀態(tài)持續(xù)的采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)，所述第一中間值temp可以進(jìn)一步表示 為'?
，所述第二中間值nn可以進(jìn)一步表示為：
[0015] 另一方面，本發(fā)明還提供了一種流水線ADC的后臺(tái)校準(zhǔn)電路，用于實(shí)現(xiàn)上述的流 水線ADC的后臺(tái)校準(zhǔn)方法，該電路包括：隨機(jī)數(shù)生成單元，其輸出第一隨機(jī)數(shù)P nl [n]和第二 隨機(jī)數(shù)Pn2[n];第一通道，其包括依次連接的第一子ADC、第一子DAC、第一減法器、和第一 余量放大器，所述第一通道的輸入信號(hào)為第一輸入信號(hào)V in+(nTs)，所述第一通道還包括連 接在第一子ADC和第一子DAC之間的第一加法器，所述第一加法器將經(jīng)過所述第一子ADC 量化之后的第一數(shù)字輸出信號(hào)VADei[n]與所述第一隨機(jī)數(shù)Pnl[n]加和后傳輸?shù)剿龅谝?子DAC;第二通道，其包括依次連接的第二子ADC、第二子DAC、第二減法器、和第二余量放大 器，所述第二通道的輸入信號(hào)為第二輸入信號(hào)vin (nTs)，所述第二通道還包括連接在第二 子ADC和第二子DAC之間的第二加法器，所述第二加法器將經(jīng)過所述第二子ADC量化之后 的第二數(shù)字輸出信號(hào)VADe2[n]與所述第二隨機(jī)數(shù)P n2[n]加和后傳輸?shù)剿龅诙覦AC ;后處 理單元，其配置為根據(jù)所述第一數(shù)字輸出信號(hào)VADa[n]和第二數(shù)字輸出信號(hào)VADe2[n]、所述第 一隨機(jī)數(shù)P nl[n]和第二隨機(jī)數(shù)Pn2[n]、所述第一后端輸出信號(hào)Rnl[n]和第二后端輸出信號(hào) Rn2 [n]，得到校準(zhǔn)后的輸出信號(hào)Do [n]。
[0016] 進(jìn)一步地，所述隨機(jī)數(shù)生成單元包括：隨機(jī)數(shù)生成子單元，其輸出均值為0且取值 為1和-1的隨機(jī)信號(hào)Pn[n];放大子單元，其對(duì)所述隨機(jī)信號(hào)Pn[n]進(jìn)行放大，放大系數(shù)分 別為A pnl、Apn2和u ;選通子單元，對(duì)所述放大子單元的輸出進(jìn)行選通，其包括第一控制端，所 述第一控制端連接包括四個(gè)狀態(tài)的控制信號(hào)Ctrl [1 :0]，所述選通子單元配置為，當(dāng)所述 控制信號(hào)Ctrl[l :0]為第一狀態(tài)時(shí)，輸出的所述第一隨機(jī)數(shù)Pnl[n]為Apnl*Pn[n]，所述第二 隨機(jī)數(shù)P n2[n]為Apnl*P>]，當(dāng)所述控制信號(hào)Ctrl[l :0]為第二狀態(tài)時(shí)，輸出的所述第一隨 機(jī)數(shù)Pnl[n]為Apn2 ? Pn[n]，所述第二隨機(jī)數(shù)Pn2[n]為Apn2 ? Pn[n]，當(dāng)所述控制信號(hào)Ctrl [1 : 0]為第三狀態(tài)時(shí)，輸出的所述第一隨機(jī)數(shù)Pnl[n]為Apnl ? Pn[n]，所述第二隨機(jī)數(shù)Pn2[n]為 u*Apnl，P>]，當(dāng)所述控制信號(hào)Ctrl[l :0]為第四狀態(tài)時(shí)，輸出的所述第一隨機(jī)數(shù)Pnl[