[发明专利]一种模数转换器的校准系统及方法

说明书

一种模数转换器的校准系统及方法，校准系统包括n级流水线结构的子模数转换器，子模数转换器的输出信号经电容失配数字校准电路模块连接延时编码模块，延时编码模块整体数字输出；校准方法包括以下步骤：输入一个标准正弦信号，进行A/D转换并采集保存一段原始输出数据；基于此段原始输出数据，分别对需要进行电容校准的流水级进行电容权值搜索；通过调节参数使某个预设的性能指标达到最优，此时对应的电容权重值即为搜索得到的校准电容权重值；将得到的校准电容权重值写入电容失配数字校准电路模块，供正常A/D转换时调用并以此计算出精确的转换结果。本发明硬件电路开销小，能有效解决流水线型模数转换器的因电容失配造成的精度下降问题。

技术领域

本发明涉及集成电路设计领域，尤其涉及一种模数转换器的校准系统及方法。

背景技术

流水线型模数转换器在速度和精度间折中，可以达到比较高的采样速度和比较高的采样精度，因此得到了广泛的应用。流水线型模数转换器主要由n级流水线，以及最终的延时编码电路组成。对于每一级流水线来说，包括子模数转换器，子数模转换器，减法器，余量放大器，其中，子数模转换器，减法器和余量放大器合称为MDAC。

由于集成电路制造工艺的限制，每一级流水线中子模数转换器的比较器不可能制作完全对称，难免会存在阈值失调。为了有效消除子模数转换器的比较器阈值失调对流水线型模数转换器的影响，放宽电路的设计要求，故而，对每级子流水线增加冗余位进行校正，已经被普遍应用于流水线模数转换器中。这种校正方式的具体原理如下：

以由3bit MDAC组成的流水线型模数转换器为例，当第m级流水级中子模数转换器的比较器阈值存在失调现象时，则该级流水级的电压余量传输曲线如图1所示。

此时由余量传输曲线可知，传递给下一级的电压，超出下一级信号范围的余量信号不能被量化，因而失去了这部分信号。如果将余量信号增益减小，那么原本超出满幅范围的余量信号就可以被后级子流水线量化，即将余量增益设定为2^M-1而不是2^M(M为当前级MDAC的量化位数)，那么余量电压即可被包含到后级子流水级的输入信号电压范围内。

此时，由于本级子模数转换器的比较器的阈值失调造成的错误判断可用下一级子模数转换器的输出进行校正。即将前一级流水级转换输出数字码的低位和后一级流水级转换输出数字码的高位对齐相加，就可以获得相同的输出数字码。但此时得到的数字码表示范围是010～1001，存在偏移。为了解决该问题，通过去掉本级流水线中子模数转换器中一个最高位比较器并且将其余比较器的阈值电压都向右平移1/2LSB，来消除这一偏移，得到的数字码表示范围恢复至000～111，本级位数从3位变为2.5位。此时，本级流水级由本级子模数转换器控制的电容也由7个变为6个。故对由单级2.5bit MDAC组成的流水线模数转换器进行电容失配校准，只需对所要校准的2.5bit MDAC中由子模数转换器控制的6个电容的权重进行校准即可。作为每一级MDAC的重要组成部分，子数模转换器中电容大小的精确与否严重影响着流水线型模数转换器的精度。但由于工艺制造的原因，电容失配误差是不可避免的。特别是随着半导体制造工艺技术的发展，数字电路的频率逐渐增加，功耗逐渐降低，而模拟电路的性能却不能紧跟发展趋势，电容失配的相对误差也越来越大，严重制约着流水线型模数转换器高精度的发展，因此对高精度流水线型模数转换器电容失配现象的校准需求越来越大。

然而，传统纯模拟设计的局限性越来越明显，为了提升模数转换器的整体性能，往往要付出较大的代价。但数字校准的硬件代价小，对模数转换器的整体性能提升大，且电容失配现象由工艺制造所造成的，不会随PVT而变化。因此，采用前台数字方法校准流水线型模数转换器中的电容失配现象具由简单易行，性价比高的特点，开发前景较好。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模数转换器的校准系统及方法，可以对流水级的电容实现权重值校准，提升流水线型模数转换器的精度，且占用的芯片面积小、消耗功率低。

为了实现上述目的，本发明有如下技术方案：