一种流水线模数转换器及其电容失配误差校准方法技术

本发明专利技术实施例公开了一种简易的针对流水线模数转换器电容失配误差的校准方案，在传统无校准流水线模数转换器结构的基础上，由级MDAC结构与级校准开关结构组成需要校准电容失配误差的校准级，同时，增加电容失配误差数字校准电路。在校准级电容误差提取工作期间，通过级校准开关结构对校准级采样电容给定2种特定输入，路得到包含电容失配误差的2个数字码，再根据其提取出校准级电容失配误差并进行数字校准。该电容失配误差校准方案结构极其简单、额外元件添加极其少、时序控制极其简单，能够有效的校准因电容失配造成的静态特性下降的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于红外焦平面阵列读出电路的模数转换器，尤其是涉及一种流水线模数转换器及其电容失配误差校准方法。   
技术介绍
读出电路(ROIC)是非致冷红外焦平面阵列（IRFPA）的关键部件之一，它的主要功能是对红外探测器感应的微弱信号进行预处理（如积分、放大、滤波、采样/保持等）和阵列信号的并/串行转换。视探测器所用材料和工作方式的不同，读出电路结构随之变化，以在满足帧频的要求下获得最大的信噪比（SNR）。 ROIC属于数模混合集成技术。像元电路部分属于模拟电路，它对MOS管沟道宽长比有特殊的要求，需要有比数字电路更加精确的设计。另外，为了增大积分电容的面积，复杂的电路设计在ROIC中也是不容许的。先进的ROIC为了减小读出噪声和提高帧刷新频率，将滤波电路、模数转换等功能器件集成在一块芯片内，这是今后ROIC发展的趋势。 模数转换器集成到焦平面阵列中，不但可以简化阵列与系统的接口设计，也可将易受电磁干扰的模拟输出信号转为抗干扰能力强的数字信号，提高系统的整体性能。 经典的无校准的流水线模数转换器中，由于制造工艺的原因，电容失配误差是不可避免的，其在一定程度上限制了分辨率与采样速率的有效折中，尤其是在大阵列、高帧频的非致冷红外焦平面阵列的读出技术中，存在更高分辨率及更高采样速率的限制。因此，存在校准非致冷红外焦平面阵列中的流水线模数转换器的电容失配误差的需求。   
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种能够有效校准流水线模数转换器的电容失配误差的流水线模数转换器及其电容失配误差校准方法。 本专利技术公开的技术方案包括： 提供了一种流水线模数转换器，其特征在于：包括至少两级模数转换器和电容失配误差数字校准电路30，其中：至少第1级模数转换器10包括校准开关电路102和MDAC电路100，所述校准开关电路102包括第一开关SC1和第二开关SC2，所述第一开关SC1一端连接到所述MDAC电路100，另一端连接到第一参考电压+Vref/2，所述第二开关SC2一端连接到所述MDAC电路100，另一端连接到第二参考电压-Vref/2；所述电容失配误差数字校准电路30连接到所述至少两级模数转换器；其中所述至少两级模数转换器根据所述第一参考电压+Vref/2输出第一数字码，并根据所述第二参考电压-Vref/2输出第二数字码；所述电容失配误差数字校准电路30接收所述第一数字码和所述第二数字码、根据所述第一数字码和所述第二数字码获得所述流水线模数转换器的电容失配误差校准码、并且当所述流水线模数转换器正常工作时用所述电容失配误差校准码校准所述流水线模数转换器转换输出的数据。本专利技术的一个实施例中，所述MDAC电路100包括运算放大器、采样电容CS和反馈电容Cf，所述采样电容CS的一端分别通过开关元件连接到所述流水线模数转换器的信号输入端Vin、第三参考电压+Vref、第四参考电压-Vref和接地端，另一端连接到所述运算放大器的反相输入端并通过开关元件接地。 本专利技术的一个实施例中，所述反馈电容Cf的一端连接到所述运算放大器的反相输入端，另一端分别通过开关元件连接到所述流水线模数转换器的信号输入端Vin和所述运算放大器的输出端Vout。 本专利技术的一个实施例中，所述第一开关SC1一端连接到所述采样电容CS的所述一端，另一端连接到所述第一参考电压+Vref/2；所述第二开关SC2一端连接到所述采样电容CS的所述一端，另一端连接到第二参考电压-Vref/2。 本专利技术的一个实施例中，所述第一参考电压为所述第三参考电压的二分之一，所述第二参考电压为所述第四参考电压的二分之一。 本专利技术的实施例中还提供了一种使用前述的流水线模数转换器校准电容失配误差的方法，其特征在于，包括：使所述采样电容CS和所述反馈电容Cf并联，并且一端接地，另一端连接到所述运算放大器的反相输入端；切换开关元件，使所述采样电容CS的一端连接到所述第一参考电压+Vref/2，另一端连接到所述运算放大器的反相输入端，并使所述反馈电容Cf的一端连接到所述运算放大器的反相输入端，另一端连接到所述运算放大器的输出端，从而通过所述至少两级模数转换器获得第一数字码；使所述采样电容CS和所述反馈电容Cf并联，并且一端接地，另一端连接到所述运算放大器的反相输入端；使所述采样电容CS的一端连接到所述第二参考电压-Vref/2，另一端连接到所述运算放大器的反相输入端，并使所述反馈电容Cf的一端连接到所述运算放大器的反相输入端，另一端连接到所述运算放大器的输出端；从而通过所述至少两级模数转换器获得第二数字码；根据所述第一数字码和所述第二数字码获得所述流水线模数转换器的电容失配误差校准码；当所述流水线模数转换器正常工作时，用所述电容失配误差校准码校准所述流水线模数转换器转换输出的数据。 本专利技术的实施例中，能够校准需要对电容失配误差的级引起的误差，并且结构极其简单、额外元件添加极其少、时序控制极其简单，数字域计算及校准工作只需通过加减法实现，大大减小了数字电路设计的难度与周期。经过仿真验证，本专利技术的针对流水线模数转换器电容失配误差的校准方法能够有效的校准因电容失配造成的静态特性下降的问题。   附图说明图1是本专利技术一个实施例的流水线模数转换器的结构框图示意图。 图2是本专利技术一个实施例的第1级模数转换器的结构示意图。 图3是本专利技术一个实施例的处于采样相状态中的MDAC电路的示意图。 图4是本专利技术一个实施例的处于第一保持相状态中的MDAC电路的示意图。 图5是本专利技术一个实施例的处于第二保持相状态中的MDAC电路的示意图。 图6是本专利技术一个实施例的校准码的示意图。 图7是存在正的采样电容失配的情况下传输曲线校准前效果示意图，图中的黑色虚线为理想的传输曲线，黑色实线为校准前后实际的传输曲线。 图8是存在正的采样电容失配的情况下传输曲线校准后效果示意图，图中的黑色虚线为理想的传输曲线，黑色实线为校准前后实际的传输曲线示意图。 图9和图10分别为本专利技术实施例的流水线模数转换器存在较大采样电容失配校准前和后的静态特性参数DNL、INL的Simulink模型仿真图。   具体实施方式下面将结合附图详细说明本专利技术的实施例的流水线模数转换器的具体结构及其电容失配误差校准方法的具体步骤。 如图1所示，本专利技术的一个实施例中，一种流水线模数转换器包括至少两级模数转换器（例如，图1中的10、12、14、16等等）和电容失配误差数字校准电路30。 本专利技术的实施例中，设有校准开关电路，该校准开关电路可以设置在该至少两级模数转换器中的前一个或者几个级模数转换器中。 例如，如图1和图2所示，至少第1级模数转换器10包括校准开关电路102和MDAC（Multiplying Digital to Analog Converter，乘法型数模转换器）电路100。校准开关电路102包括第一开关SC1和第二开关SC2，第一开关SC1一端连本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种流水线模数转换器，其特征在于：包括至少两级模数转换器和电容失配误差数字校准电路（30），其中：至少第1级模数转换器（10）包括校准开关电路（102）和MDAC电路（100），所述校准开关电路（102）包括第一开关（SC1）和第二开关（SC2），所述第一开关（SC1）一端连接到所述MDAC电路（100），另一端连接到第一参考电压（+Vref/2），所述第二开关（SC2）一端连接到所述MDAC电路（100），另一端连接到第二参考电压（‑Vref/2）；所述电容失配误差数字校准电路（30）连接到所述至少两级模数转换器；其中所述至少两级模数转换器根据所述第一参考电压（+Vref/2）输出第一数字码，并根据所述第二参考电压（‑Vref/2）输出第二数字码；所述电容失配误差数字校准电路（30）接收所述第一数字码和所述第二数字码、根据所述第一数字码和所述第二数字码获得所述流水线模数转换器的电容失配误差校准码、并且当所述流水线模数转换器正常工作时用所述电容失配误差校准码校准所述流水线模数转换器转换输出的数据。

【技术特征摘要】
1.一种流水线模数转换器，其特征在于：包括至少两级模数转换器和电容失配误差数字校准电路（30），其中：
至少第1级模数转换器（10）包括校准开关电路（102）和MDAC电路（100），所述校准开关电路（102）包括第一开关（SC1）和第二开关（SC2），所述第一开关（SC1）一端连接到所述MDAC电路（100），另一端连接到第一参考电压（+Vref/2），所述第二开关（SC2）一端连接到所述MDAC电路（100），另一端连接到第二参考电压（-Vref/2）；
所述电容失配误差数字校准电路（30）连接到所述至少两级模数转换器；
其中所述至少两级模数转换器根据所述第一参考电压（+Vref/2）输出第一数字码，并根据所述第二参考电压（-Vref/2）输出第二数字码；
所述电容失配误差数字校准电路（30）接收所述第一数字码和所述第二数字码、根据所述第一数字码和所述第二数字码获得所述流水线模数转换器的电容失配误差校准码、并且当所述流水线模数转换器正常工作时用所述电容失配误差校准码校准所述流水线模数转换器转换输出的数据。
2.如权利要求1所述的流水线模数转换器，其特征在于：所述MDAC电路（100）包括运算放大器、采样电容（CS）和反馈电容（Cf），所述采样电容（CS）的一端分别通过开关元件连接到所述流水线模数转换器的信号输入端（Vin）、第三参考电压（+Vref）、第四参考电压（-Vref）和接地端，另一端连接到所述运算放大器的反相输入端并通过开关元件接地。
3.如权利要求1或者2所述的流水线模数转换器，其特征在于：所述反馈电容（Cf）的一端连接到所述运算放大器的反相输入端，另一端分别通过开关元件连接到所述流水线模数转换器的信号输入端（Vin）和所述运算放大器的输出端（Vout）。...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕坚，魏林海，张壤匀，牛润梅，周云，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51