流水线模数转换器输入共模电压偏移补偿电路制造技术

本发明专利技术提供了一种对电荷耦合流水线模数转换器中输入共模偏移误差进行检测和补偿的电路。该电路包括一个用于对输入信号共模电平进行检测处理的输入共模检测模块、一个用于将检测得到的偏移误差量进行量化的共模偏移量化模块、一个用于控制整个电路工作并提供纠错码的移位及控制器模块、一个用于根据所产生纠错码对各电荷耦合子级流水线电路的共模电荷信号进行补偿的误差补偿模块。本发明专利技术实施方案的优点是：能够自动检测电荷耦合流水线模数转换器中由于输入信号的共模偏移误差，并对该共模偏移误差进行量化和补偿，以克服输入信号共模偏移误差对现有电荷耦合流水线模数转换器的动态性能的限制，进一步提高现有电荷耦合流水线模数转换器的转换性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及模数转换器的非理想特性的检测及补偿实现电路，特别是一种对电荷 耦合流水线模数转换器中输入共模电压偏移误差的检测及补偿电路。
技术介绍
随着数字信号处理技术的不断发展，电子系统的数字化和集成化是必然趋势。然 而现实中的信号大都是连续变化的模拟量，需经过模数转换变成数字信号方可输入到数字 系统中进行处理和控制，因而模数转换器在未来的数字系统设计中是不可或缺的组成部 分。在宽带通信、数字高清电视和雷达等应用领域，系统要求模数转换器同时具有非常高的 采样速率和分辨率。这些应用领域的便携式终端产品对于模数转换器的要求不仅要高采样 速率和高分辨率，其功耗还应该最小化。目前，能够同时实现高采样速率和高分辨率的模数转换器结构为流水线结构模数 转换器。流水线结构是一种多级的转换结构，每一级使用低精度的基本结构的模数转换器， 输入信号经过一级级的处理，最后由每级的结果组合生成高精度的输出。其基本思想就是 把总体上要求的转换精度平均分配到每一级，每一级的转换结果合并在一起可以得到最终 的转换结果。由于流水线结构模数转换器可以在速度、功耗和芯片面积上实现最好的折中， 因此在实现较高精度的模数转换时仍然能保持较高的速度和较低的功耗。现有比较成熟的实现流水线结构模数转换器的方式是基于开关电容技术的流水 线结构。基于该技术的流水线模数转换器中采样保持电路和各个子级电路的工作也都必须 使用高增益和宽带宽的运算放大器。模数转换器的速度和处理精度取决于所使用高增益和 超宽带宽的运算放大器负反馈的建立速度和精度。因此该类流水线结构模数转换器设计的 核心是所使用高增益和超宽带宽的运算放大器的设计。这些高增益和宽带宽运算放大器的 使用限制了开关电容流水线模数转换器的速度和精度，成为该类模数转换器性能提高的主 要限制瓶颈，并且精度不变的情况下模数转换器功耗水平随速度的提高呈直线上升趋势。 要降低基于开关电容电路的流水线模数转换器的功耗水平，最直接的方法就是减少或者消 去高增益和超宽带宽的运算放大器的使用。电荷耦合流水线模数转换器就是一种不使用高增益和超宽带宽的运算放大器的 模数转换器，该结构模数转换器具有低功耗特性同时又能实现高速度和高精度。电荷耦合 流水线模数转换器采用电荷耦合信号处理技术。电路中，信号以电荷包的形式表示，电荷 包的大小代表不同大小的信号量，不同大小的电荷包在不同存储节点间的存储、传输、加/ 减、比较等处理实现信号处理功能。通过采用周期性的时钟来驱动控制不同大小的电荷包 在不同存储节点间的信号处理便可以实现模数转换功能。一个电荷耦合流水线模数转换器通常包括以下模块(1) 一个电荷耦合采样保持 电路，其用于将模拟输入电压转换成对应大小成比例的电荷包，并将电荷包传输给第一级 子级电路；(2) η级基于电荷耦合信号处理技术的子级流水线电路，其用于对采样得到的电 荷包进行各种处理完成模数转换和余量放大，并将每一个子级电路的输出数字码输入到延时同步寄存器，且每一个子级电路输出的电荷包进入下一级重复上述过程；(3)最后一级 (第n+1级)电荷耦合子级流水线电路，其将第η级传输过来的电荷包重新转换成电压信 号，并进行最后一级的模数转换工作，并将本级电路的输出数字码输入到延时同步寄存器， 该级电路只完成模数转换，不进行余量放大；(4)延时同步寄存器，其用于对每个子流水级 输出的数字码进行延时对准，并将对齐的数字码输入到数字校正模块；(5)数字校正电路 模块，其用于接收同步寄存器的输出数字码，将接收的数字码进行移位相加，以得到模数转 换器数字输出码；(6)时钟信号产生电路，其用于提供前述所有电路模块工作需要的时钟 信号；(7)基准信号产生电路，其用于提供前述所有电路模块工作需要的基准信号和偏置 信号。—个基本的全差分结构电荷耦合子级流水线电路包括2个用于传输电荷信号的 本级电荷传输控制开关、2个存储差分电荷信号的电荷存储节点、多个连接到电荷存储节点 的电荷存储电容、多个比较器，多个受比较器输出结果控制的基准电荷选择电路，2个连接 到本级电荷存储节点的下一级子级电路的电荷传输控制开关。如图1所示为一种可以采用的电荷耦合采样保持电路，该电路包括电荷传输控制 开关、通用MOS开关、采样电容和控制电路工作的时钟。这里以最简单的采样和保持两相时 钟说明电路的工作原理，实际电路的工作控制时钟将复杂得多。在采样时钟相位有效时，输 入电压信号通过开关Kts输入，将输入电压Vinp和Virm连接到采样电容的顶极板，采样电 容的底板通过开关Kbs连接到共模电压Vcmi，输入电压就以一定量电荷的形式存储在采样 电容上；保持时钟相位有效时，采样电容的顶极板通过开关Kth连接到共模电压Vcmi，采样 电容的底极板通过电荷传输控制开关将前半时钟相位采样得到的电荷包传输给第一级子 级流水线电路，完成采样保持功能。整个采样保持过程中，输入全差分电压信号大小分别为Vinp和Virm，输出对应电 荷包大小为Qp和Qn，在理想情况下它们之间具有如下关系式Qd = Qp-Qn = Vd 氺 Cs = (Vinp-Vinn) *CsQcm = (^nn + ^nP + ^on + ^0P _ 2Vcmi) * Cs(1)其中Cs为采样电容大小；Vcmi为基准共模复位信号，与输入信号大小无关；Vop/Von为输出基准共模复位信号，与输入信号大小无关。通过上式可以看出，在理想情况下采样保持电路得到的差分电荷包Qd的大小 与输入全差分电压信号Vd大小成正比关系。同样在理想情况下，输入共模电压信号Vcm 二^保持不变，输出共模电压信号Vcmo=也保持不变，这样电荷耦合采样保持电路所得到的共模输出电荷Qcm就保持不变。实际电路中，全差分输入信号一般是通过单端信号经片外输入采样耦合电路处理 得到相位差180°的差分互补信号。由于该输入采样耦合电路存在各类非理想特性，其输出 的差分互补信号的共模电平会出现一定幅度的波动，同时其输出差分信号的相位差也会出现一定的误差，这样ADC输入全差分信号就可能会存在一定的共模偏移误差。对于高动态 性能的ADC来说，这种输入信号所引起的共模误差的影响必须被消除或补偿。对于采用传统的开关电容技术的流水线模数转换器电路来说，其输入采样保持电 路会使用一个高增益、宽带宽OTA电路来保证电路的速度和精度，只要设计OTA的共模抑制 比达到ADC的精度要求，上述由于片外非理想特性所带来的共模偏移误差的影响完全可以 控制在ADC精度要求内。而对于图1中所示的电荷耦合采样保持电路，由于取消了高增益运算放大器的使用，输入共模电压信号Vcm=的变化将会直接影响输出共模电荷量Qcm，即电路没有任何共模抑制能力。因此，为提高电荷耦合流水线模数转换器的动 态性能，必须提供一种对上述电荷耦合采样保持电路中由于输入信号所引起的共模偏移误 差进行抑制和补偿的电路。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种电荷耦合流水线模数转换 器中输入共模电压偏移误差检测及补偿电路，提高电荷耦合流水线模数转换器的动态性 能。按照本专利技术提供的技术方案，所述电荷耦合流水线模数转换器中输入共模电压偏 移补偿电路包括输入共模检测模块，用于对输入信号的共模电平进行检测并处理得到输本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电荷耦合流水线模数转换器中输入共模电压偏移补偿电路，其特征是：包括输入共模检测模块，用于对输入信号的共模电平进行检测并处理得到输入共模信号的偏移误差量；共模偏移量化模块，用于将输入共模检测模块产生的偏移误差量进行量化；移位及控制器模块，用于控制整个电路的工作并提供误差补偿模块工作所需要的纠错码；误差补偿模块，用于根据移位及控制器模块提供的纠错码对电荷耦合流水线模数转换器中各电荷耦合子级流水线电路的共模电荷信号进行补偿；所述移位及控制器模块包括一个控制器和一个寄存器阵列，所述寄存器阵列中寄存器的级数和电荷耦合流水线模数转换器中电荷耦合子级流水线电路的级数相同。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈珍海，季惠才，张甘英，黄嵩人，于宗光，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十八研究所，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]