一种流水线逐次逼近型模数转换器的前端自校准方法技术

本发明专利技术涉及一种流水线逐次逼近型模数转换器的前端自校准方法，属于模数转换器电路技术领域。该方法首先利用流水线SAR ADC的固有电路，通过关闭下极板信号采样开关时钟得到确定的模拟输入，再通过使能和关闭第N级流水线SAR ADC的末位转换时钟得到两种情况的数字输出，以此得到两个相同模拟输入不同数字输出形成一个等式，实现第N级和第N

【技术实现步骤摘要】
一种流水线逐次逼近型模数转换器的前端自校准方法


[0001]本专利技术属于集成电路设计中的模数转换器(ADC)电路
，特别涉及一种流水线逐次逼近型模数转换器的前端自校准方法。

技术介绍

[0002]流水线逐次逼近型(SAR)模数转换器(ADC)通常适用于高速(采样率大于500MSPS)高精度(12位以上)低功耗ADC的应用场景，例如5G射频芯片等。SAR ADC的优点是高精度和低功耗，而缺点是其架构本身会限制ADC的转换速度，因为它需要多拍转换才能输出一次转换结果，即使是先进工艺下，其最大速度也不能满足某些情况下的要求。流水线ADC的优点是高速和高精度，而缺点是高功耗，其功耗的主要来源是级间的余量(残差)放大器(Residue Amplifier，RA)和级间增益校准电路。流水线SAR ADC是SAR ADC和流水线ADC的混合结构，以SAR ADC为基本单元，将其多级流水线实现流水线SAR ADC，使得速度和功耗都较为折中以满足实际的需求。一般流水线SAR ADC和流水线ADC的界限在于，前者通常是2级或者3级流水线，而后者通常是6级以上的流水线。
[0003]传统的12位流水线SAR ADC结构如图1所示，它是一种4
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6结构，它的总位宽是14位，有效位宽是12位，其中第一级和第二级之间以及第二级和第三级之间各留有1位的冗余，以保证前级给到后级的余量不超过后级的满量程输出而导致严重的转换错误。该结构由三个子SAR ADC模块(4Bit的SAR ADC1,4Bit的SAR ADC2和6Bit的SAR ADC3)，两个余量放大器RA1和RA2以及一个数字信号处理模块组成。其中输入信号VOP/VON依次级联到SAR ADC1,RA1,SAR ADC2,RA2,SAR ADC3，而子模块SAR ADC1的4位输出Dout1<4:1>输出到数字信号处理模块,子模块SAR ADC2的4位输出Dout2<4:1>输出到数字信号处理模块,子模块SAR ADC3的6位输出Dout3<6:1>输出到数字信号处理模块，经过处理后输出有效数字输出Dout<12:1>。余量放大器RA1的设计电压增益为8，实际增益偏差为1/a1,实际电压增益A1为8/a1，余量放大器RA2的设计电压增益为8，实际增益偏差为1/a2,实际电压增益A2为8/a2，称a1和a2为级间增益误差系数，它是由工艺角温度电压(PVT)偏差以及工艺失配导致的。通常Dout<12:1>＝Dout1<4:1>*256+a1*(Dout2<4:1>*32+a2*Dout1<6:1>)，而数字信号处理模块的功能就是找到系数a1和a2并完成上述计算，简而言之即检测和校准。
[0004]这种图1所示结构的流水线SAR ADC的正常转换流程如图2所示，包括首先默认这种ADC的采样结构是通用的下极板采样(与之对应的是上极板采样，区别是下极板采样通过下极板采样信号，上极板采样共模电压，采样结束时下极板的信号翻转到上极板保持，而上极板采样是上极板直接采样信号，下极板短接固定电平)。其转换流程为：
[0005]第一步，采样信号输入到第一级SAR ADC完成采样，采样信号保持在第一级SAR ADC；
[0006]第二步，第一级SAR ADC完成4位转换并输出4位数字码Dout1，第一级余量输入到第一余量放大器RA1中保持；
[0007]第三步，第一级余量经过RA1放大后输入到在第二级SAR ADC中保持，第二级SAR完
成4位转换并输出4位数字码Dout2，第二级余量输入到RA2中保持；
[0008]第四步，第二级余量经过RA2放大后输入到第三级SAR ADC中保持，第三级SAR完成6位转换并输出6位数字码Dout3；
[0009]第五步，三级ADC转换完成后的输出Dout1，Dout2，Dout3经过数字信号处理模块合并并校准后输出12位数字码Dout。
[0010]传统的流水线SAR ADC的校准电路如图3所示，它具体的由4个部分组成：检测信号产生电路，流水线SARADC，数字检测电路和数字校准电路。其校准方法为检测信号产生电路产生特定的检测信号输入到流水线SARADC，流水线SARADC的各级输出Dout1,Dout2,Dout3输出到数字检测电路，根据特定的算法实现级间增益误差系数的检测，然后将系数a1和a2输出到数字校准电路，数字校准电路通过公式：Dout＝Dout1*256+a1*(Dout2*32+a2*Dout1)完成ADC的级间增益误差校准后输出。传统的流水线SAR ADC的校准方案的缺点在于整个校准电路的总体成本较大，往往其数字检测电路以及数字校准电路的功耗和面积超出流水线SAR ADC的电路本身，传统流水线SAR ADC的校准电路的主要成本体现在复杂的数字检测电路和高功耗的数字校准电路中的数字乘法器。

技术实现思路

[0011]本专利技术的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种流水线逐次逼近型模数转换器的前端自校准方法。本专利技术具有不依赖外部输入校准信号，无复杂的数字检测电路，无高功耗的数字校准电路且能实现高精度的级间增益误差系数校准的优点。利用流水线SAR ADC的固有电路实现级间增益误差的检测，通过在ADC的参考电压端使用低功耗的R
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2R DAC完成校准。
[0012]本专利技术提出一种流水线逐次逼近型模数转换器的前端自校准方法，其特征在于，该方法包括级间增益误差的检测和级间增益误差的校准两部分；首先利用流水线SAR ADC的固有电路，通过关闭下极板信号采样开关时钟得到确定的模拟输入，再通过使能和关闭第N级流水线SAR ADC的末位转换时钟得到两种情况的数字输出，N为大于等于2的正整数，以此得到两个相同模拟输入不同数字输出，根据两种情况的数字输出形成一个等式，实现流水线SAR ADC的第N级和第N
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1级的级间增益误差的检测，以及再根据检测的增益误差系数，从低位开始依次通过R
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2R电阻分压DAC改变流水线SAR ADC第N
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1级和第N级的参考电压比值，进而调整第N级和第N
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1级的级间增益，通过满量程偏差(与参考电压线性相关)导致的流水线SAR ADC级间增益误差和流水线SAR ADC余量放大器增益误差导致的级间增益误差互相抵消，来完成级间增益误差的校准。
[0013]对于上述N级流水线SAR ADC(N为大于等于2的正整数)，其校准具体流程为：
[0014]第一步，流水线SAR ADC的第一级SAR ADC下级板采样，下极板对信号的采样关闭，上级板对共模电平采样；用于实现在不依赖外部输入信号的情况下，ADC内部自身通过采样共模电平产生的差分输入0信号作为检测信本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种流水线逐次逼近型模数转换器的前端自校准方法，其特征在于，该方法包括级间增益误差的检测和级间增益误差的校准两部分；首先利用流水线SAR ADC的固有电路，通过关闭下极板信号采样开关时钟得到确定的模拟输入，再通过使能和关闭第N级流水线SAR ADC的末位转换时钟得到两种情况的数字输出，N为大于等于2的正整数，以此得到两个相同模拟输入不同数字输出，根据两种情况的数字输出形成一个等式，实现流水线SAR ADC的第N级和第N
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1级的级间增益误差的检测，以及再根据检测的增益误差系数，从低位开始依次通过R
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2R电阻分压DAC改变流水线SAR ADC第N
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1级和第N级的参考电压比值，进而调整第N级和第N
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1级的级间增益，通过满量程偏差导致的流水线SAR ADC级间增益误差和流水线SAR ADC余量放大器增益误差导致的级间增益误差互相抵消，完成级间增益误差的校准。2.如权利要求1所述的流水线逐次逼近型模数转换器的前端自校准方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：第一步，流水线SAR ADC的第一级SAR ADC下级板采样，下极板对信号的采样关闭，上级板对共模电平采样；用于实现在不依赖外部输入信号的情况下，ADC内部自身通过采样共模电平产生的差分输入0信号作为检测信号；第二步，SAR ADC根据该检测信号完成正常转换，输出Dout_a；用于产生一个检测用的基准数字输出供后续的级间增益误差检测使用；第三步，第一级SAR ADC下级板采样，下极板对信号的采样关闭，上级版对共模电平采样；同第一步，产生差分0信号作为检测信号；第四步，SAR ADC的第N

【专利技术属性】
技术研发人员：郭啸峰，陈润，陈振骐，陈勇刚，
申请(专利权)人：深圳市纽瑞芯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：