[发明专利]流水线模数转换器、视频系统和无线系统

说明书

技术领域

本发明涉及模数转换器技术领域，尤其涉及的是一种流水线模数转换器、视频系统和无线系统。

背景技术

流水线（pipeline）模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）是一种常用于视频图像系统、数字用户回路、以太网收发机或者无线通讯系统中的重要元件，其可以在功率、速度和集成电路芯片面积上取得不错的平衡点，因此可以用来实现取样频率在百万赫兹等级的高精度ADC运算中。

图1是流水线ADC的结构示意图。模拟信号Vi经过采样保持模块100之后，再通过多个串联的级电路模块200和后级模数转换模块300进行量化，最后将各级电路模块200和后级模数转换模块300得到的量化值通过延时及错位相加模块400，根据时间延时以及权重进行错位相加，输出最终数字信号Dout。

如图2所示是现有技术中流水线ADC中某一个级电路模块200的单端结构示意图。级电路模块200由两相非交叠时钟控制：在相位1内，子采样保持电路210对输入信号Vi进行采样，子模数转换器220对输入信号Vi进行粗量化得到量化值D；在相位2内，子数模转换器230将上述粗量化值D转换成对应的模拟信号，然后该模拟信号进入减法器240中与经子采样保持电路210的输入信号Vi相减得到量化余量，该量化余量经过余量放大器250的放大，输出给下一个级电路模块200。每一个级电路模块200都这样进行流水线工作：采样-粗量化—余量放大—输出到下一个级电路模块200。最后一个级电路模块200的输出送到后级模数转换模块300中，且每一个级电路模块200的粗量化值D和后级模数转换模块的量化值Db还要输出给延时及错位相加模块400。

图3所示的实现图2功能的具体电路，其采用1.5位结构，具体实现采样输入信号Vi，粗量化和余量放大的功能。该电路在两相非交叠时钟控制下工作，在相位1内，所有开关S1导通，所有开关S2关闭，输入信号被采样在第一电容C1和第二电容C2上，同时比较器221和比较器222对输入信号进行粗量化，比较器221和比较器222的阈值电压分别是-Vref/4和+Vref/4，随着输入信号的增大，粗量化值D依次是-1、0和1；在相位2内，所有开关S1关闭，所有开关S2导通，第二电容C2下底板根据量化值D决定是连到-Vref/4、0还是+Vref/4，而第一电容C1作为反馈电容连接到运算放大器251的输出端。这样经过两个相位之后，该电路就实现了级电路模块200的功能。

假设第一电容C1和第二电容C2完全匹配，开关S1和开关S2是理想的，并且运算放大器251是理想的（即具有无限大的开环增益和零输入失调），那么根据电荷守恒定律，可以得到输出电压为Vo=2*Vi-D*Vref，Vref是满量程电压，理想的余量传输曲线如图4中虚线所示。Db为该级输出信号Vo经过之后的所有级电路模块200和后级模数转换模块300得到的量化结果，该结果和本级粗量化值D加权相加后得到级电路模块200的完整传输曲线，假设每一个级电路模块200和后级模数转换模块300都是理想的，那么该完整传输曲线（D+Db）应该是一条斜率固定的直线，如图5中虚线所示。

但是在实际情况中，存在很多误差，如：固定模式误差和随机模式误差。固定模式误差的来源包括放大器的失调、采样电容的失配、开关的非理想效应和电路中的低频噪声；随机模式误差的来源包括放大器的有限增益、生产工艺中的误差、热噪声及其他随机噪声。考虑到版图设计因素，固定模式误差对于各级的影响存在相关性，而随机模式误差的影响是独立的。在两种误差模式的影响下，最后的结果在一个固定的范围内产生随机性的波动。因此，上述误差会导致传输曲线的恶化，实际的余量传输曲线和完整传输曲线如图4（a）和图4（b）中的实线所示，该情形将使模数转换器性能变差。

针对上述缺陷，现有技术提出了流水线ADC校正技术，即在使用ADC对模拟量进行转换时，需要至少先对部分级电路模块进行校正，获得对应的校正值，从而根据转换值和校正值，得到校正的转换值。流水线ADC校正技术是针对造成模数转换器精度误差的各种误差源进行分析研究，进而提出各种校正方法，并通过电路加以实现，从而达到消除误差源的影响或者将其影响控制在精度允许的范围内。在实际的应用中表明，传统带有冗余位校正的流水线ADC结构在10位以下精度的模数转换中具有较好的表现。在更高精度的应用中，需要加入其它的校正方法。

目前存在很多种流水线ADC的校正方法，按照是否中断ADC的正常工作可以分为前台校正和后台校正。