一种适用于两步式单斜模数转换器的校正算法制造技术

本发明专利技术属于模拟数字转换技术领域，具体涉及一种适用于两步式单斜模数转换器的校正算法。本发明专利技术提出的一种适用于两步式单斜模数转换器的校正算法属于前台校正，在两步式单斜模拟数字转换器正常量化之前便实现了对非理想因素的修正。通过对相应运算放大器的输入对管以二进制的方式进行排布和选取，以达到校正运放输入失调的目的，并将模拟转换器的残余误差控制在细斜坡发生器的量化范围内。其次，假设细斜坡发生器为理想信号源，并对粗斜坡各个台阶电压实施权重量化，以实现对电阻失配、注入电荷和斜坡斜率的校正。整体算法结构简单，仅仅借助模数转换器本身就实现对非理想因素的校正，无需额外硬件开销，极大的提升了模拟数字的面积效率。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于两步式单斜模数转换器的校正算法
本专利技术属于模拟数字转换
，具体涉及一种适用于两步式单斜模数转换器的校正算法。
技术介绍
单斜式(Single-Slope,SS)模数转换器(AnalogtoDigitalConverter，ADC)由于具有结构简单，低功耗，高线性度以及面积开销小等优点而被广泛应用于图像传感器领域。随着人们对画质等感官体验的更高要求以及追求更为细致的数据信息，图像传感器读出电路需要更快转换速度和更高分辨精度的模数转换器。然而对于12位的单斜式模数转换器而言，其量化周期达到惊人的212＝4096，这无疑对模数转换器系统提出了严峻的挑战。为了解决SSADC的低速问题，[申请号CN201910658979.4]一种新型两步式(Two-Step,TS)单斜模数转换器被专利技术出来，如附图1所示：其包括开关电容电路101，多级比较器102，数字逻辑单元103以及斜坡发生器104。比较器的负输入端连接输入共模电平VCM1，正输入端连接开关电容电路101的输出端。比较器102的输出连接数字逻辑单元103的输入端。数字逻辑103包括数据存储器和数字控制单元。根据的比较器103的输出将计数器当前数值存储到数据存储器上，并利用数字控制单元控制保持开关SH的闭合状态。斜坡发生器104包含粗斜坡发生器VRC以及细斜坡发生器VRF。通过采样开关SS，粗量化开关SC，细量化开关SF和保持开关SH，像素信号VPIX，粗斜坡电压VRC，细斜坡电压VRF和参考电压Vref分别加载到开关电容电路P2，P2，P3和P3节点上。通常对于T位TS-SSADC，其量化过程一般分为两步：M位的粗量化以及N位的细量化，其中T＝M+N。整体量化周期从单斜式的2T下降到2M+2N，大大提升模数转换器的转换速度。但是根据[申请号CN202010449123.9]，开关电容电路101的节点寄生CCp1，CCp2和CCp3严重恶化了实际斜坡发生器的有效斜率，而且电阻失配、电荷注入以及运算放大器失调进一步降低了系统线性度。尽管[CN202010449123.9]也提出了一种适用于两步式单斜模数转换器的校正方式，但是随着寄生效应的恶化，过于庞大和复杂的延迟链无疑会降低算法整体的有效性。
技术实现思路
针对于上述两步式单斜模拟数字转换器存在的非理想因素，本专利技术提出了一种新型适用于两步式单斜模拟数字转换器的校正算法。该算法首先通过将相应运算放大器的输入对管以二进制的方式进行排布和选取，以达到校正运放输入失调的目的并将模拟转换器的残余误差控制在细斜坡发生器的量化范围内。随即，假设细斜坡发生器为理想信号源，对粗斜坡各个台阶电压实施权重量化，从而实现对电阻失配、注入电荷和斜坡斜率的校正。整体算法结构简单，仅仅借助模数转换器本身就实现对非理想因素的校正，无需额外模拟硬件开销，并且避免了数字延迟链的使用。本专利技术的技术方案为：一种适用于两步式单斜模数转换器的校正算法，两步式单斜模拟数字转换器为包括M位粗斜坡发生器和N(N＝T-M+K)位冗余细斜坡发生器的T位斜坡式发生器；利用斜坡发生器自身便可实现对非理想因素的两步式校正：粗校正和细校正。M位粗斜坡发生器包括两个钳位运算放大器，一个PMOS电流源、一个NMOS电流阱、M(0<M<T)位电阻串阵列、开关选择阵列、输出缓冲器以及参考电压缓冲器。电阻串一共由2M+2个电阻串联而成，起始电阻和终端电阻构成冗余匹配电阻。钳位运放包括上端钳位运放和下端钳位运放，其负输入端分别连接着高参考电压和低参考电压，输出端分别连接着电流源与电流阱的栅端。电流源与电流阱的源端分别连接着电源和地。上端钳位运放的正输入端连接着第2M+1个电阻的上端，下端钳位运放的正输入端连接着第1个电阻的上端。第2M+2个电阻的上端节点和第1个电阻的下端节点分别连接着电流源与电流阱的漏端。第一个电阻的上端节点电压为VC<0>，第二个电阻的上端节点电压为VC<1>，以此类推，第2M+1个电阻的上端节点电压为VC<2M>。输出缓冲器和参考电压缓冲器构成单位增益负反馈。节点电压VC<0>～VC<2M>通过开关阵列连接至输出缓冲器的正输入端。VRC<i>是当开关阵列第i个开关导通时，节点电压VC<i>连接至输出缓冲器时的粗斜坡输出电压。参考电压缓冲器的正输入对管以二进制方式排布，其栅端电压根据数字码值和控制开关分别连接至VC<2M-1+2>和VC<2M-1-2>。类似的是，N位冗余细斜坡发生器，冗余位数为K位(K>0)同样包括两个钳位运算放大器，一个PMOS电流源、一个NMOS电流阱、N位电阻串阵列、开关选择阵列和输出缓冲器。电阻串一共由2N+K+2个电阻串联而成，起始电阻和终端电阻依然构成冗余匹配电阻。上下钳位运算的负输入对管都以二进制方式排布，根据数字码值和控制开关，上端钳位运放的负输入对管分别连接至VC<2M-1+2>和VC<2M-1>而下端钳位运放的分别连接至VC<2M-1>和VC<2M-1-2>。上下钳位运放的输出端分别连接着电流源与电流阱的栅端。电流源与电流阱的源端分别连接着电源和地。上端钳位运放的正输入端连接着第2N+K+1个电阻的上端，下端钳位运放的正输入端连接着第1个电阻的上端。第2N+K+2个电阻的上端节点和第1个电阻的下端节点分别连接着电流源与电流阱的漏端。第一个电阻的上端节点电压为VF<0>，第二个电阻的上端节点电压为VF<1>，以此类推，第2N+K+1个电阻的上端节点电压为VF<2N+K>。输出缓冲器和参考电压缓冲器构成单位增益负反馈。节点电压VF<0>～VF<2N+K>通过开关阵列连接至输出缓冲器的正输入端。VRF<i>是当开关阵列第i个开关导通时，节点电压VF<i>连接至输出缓冲器时的细斜坡输出电压。粗校正是对细斜坡发生器钳位运放失调校正以及对细斜坡输出缓冲器与粗斜坡参考电压缓冲器的失调校正。所述细斜坡发生器钳位运放失调校正包括如下步骤：1.1初始化。将上下端钳位运放输入对管的L(L>0)位数字码值DCAL1和DCAL2分别复位到全1和全0。同时校正计数器Counter初始化为0。1.2模数转换器失调量化。开关SS，SR，SF导通，SC，SH，SA断开。电容CH下极板连接至细斜坡台阶电压VRF<H>(H＝2-1+2-1-k)并将粗斜坡台阶电压VRC<1>采样到电容CS上。随即，依次断开SR，SS并打开SC，将VRC<1>加载到节点P2上。然后断开SS，细斜坡电压从VRF<1>逐步上涨到VRF<2N>，当比较器输出电压从0跳变到1时，实现对ADC整体失调的量化，数字码值为DF1。1.3粗斜坡台阶电压量化。开关顺序与步骤1.2相同，区别在于初始采样信号为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于两步式单斜模数转换器的校正算法，两步式单斜模拟数字转换器为包括M位粗斜坡发生器和N位冗余细斜坡发生器的T位斜坡式发生器，N＝T-M+K，其特征在于：/n所述M位粗斜坡发生器包括两个钳位运算放大器，一个PMOS电流源、一个NMOS电流阱、M位电阻串阵列、开关选择阵列、输出缓冲器以及参考电压缓冲器，0<M<T；电阻串一共由2

【技术特征摘要】
1.一种适用于两步式单斜模数转换器的校正算法，两步式单斜模拟数字转换器为包括M位粗斜坡发生器和N位冗余细斜坡发生器的T位斜坡式发生器，N＝T-M+K，其特征在于：
所述M位粗斜坡发生器包括两个钳位运算放大器，一个PMOS电流源、一个NMOS电流阱、M位电阻串阵列、开关选择阵列、输出缓冲器以及参考电压缓冲器，0<M<T；电阻串一共由2M+2个电阻串联而成，起始电阻和终端电阻构成冗余匹配电阻；钳位运算放大器包括上端钳位运放和下端钳位运放，其负输入端分别连接着高参考电压和低参考电压，输出端分别连接着电流源与电流阱的栅端；电流源与电流阱的源端分别连接着电源和地，上端钳位运放的正输入端连接着第2M+1个电阻的上端，下端钳位运放的正输入端连接着第1个电阻的上端；第2M+2个电阻的上端节点和第1个电阻的下端节点分别连接着电流源与电流阱的漏端；第一个电阻的上端节点电压为VC<0>，第二个电阻的上端节点电压为VC<1>，以此类推，第2M+1个电阻的上端节点电压为VC<2M>；
输出缓冲器和参考电压缓冲器构成单位增益负反馈；节点电压VC<0>～VC<2M>通过开关阵列连接至输出缓冲器的正输入端，VRC<i>是当开关阵列第i个开关导通时，节点电压VC<i>连接至输出缓冲器时的粗斜坡输出电压；参考电压缓冲器的正输入对管以二进制方式排布，其栅端电压根据数字码值和控制开关分别连接至VC<2M-1+2>和VC<2M-1-2>；
类似的，所述N位冗余细斜坡发生器，冗余位数为K位同样包括两个钳位运算放大器，一个PMOS电流源、一个NMOS电流阱、N位电阻串阵列、开关选择阵列和输出缓冲器，K>0；电阻串一共由2N+K+2个电阻串联而成，起始电阻和终端电阻依然构成冗余匹配电阻；上下钳位运算的负输入对管都以二进制方式排布，根据数字码值和控制开关，上端钳位运放的负输入对管分别连接至VC<2M-1+2>和VC<2M-1>而下端钳位运放的分别连接至VC<2M-1>和VC<2M-1-2>；上下钳位运放的输出端分别连接着电流源与电流阱的栅端，电流源与电流阱的源端分别连接着电源和地，上端钳位运放的正输入端连接着第2N+K+1个电阻的上端，下端钳位运放的正输入端连接着第1个电阻的上端；第2N+K+2个电阻的上端节点和第1个电阻的下端节点分别连接着电流源与电流阱的漏端；第一个电阻的上端节点电压为VF<0>，第二个电阻的上端节点电压为VF<1>，以此类推，第2N+K+1个电阻的上端节点电压为VF<2N+K>；
输出缓冲器和参考电压缓冲器构成单位增益负反馈；节点电压VF<0>～VF<2N+K>通过开关阵列连接至输出缓冲器的正输入端，VRF<i>是当开关阵列第i个开关导通时，节点电压VF<i>连接至输出缓冲器时的细斜坡输出电压；
粗校正是对细斜坡发生器钳位运放失调校正以及对细斜坡输出缓冲器与粗斜坡参考电压缓冲器的失调校正；
所述细斜坡发生器钳位运放失调校正包括如下步骤：
1.1初始化；将上下端钳位运放输入对管的L位数字码值DCAL1和DCAL2分别复位到全1和全0，同时校正计数器Counter初始化为0，L>0；
1.2模数转换器失调量化；开关SS，SR，SF导通，SC，SH，SA断开；电容CH下极板连接至...

【专利技术属性】
技术研发人员：李靖，张启辉，宁宁，于奇，张中，孟昊，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51