[发明专利]基于比较时间探测器的流水线ADC级间增益校准方法

说明书

本发明属于模拟集成电路技术领域，具体为一种基于比较时间探测器的流水线ADC级间增益校准方法。本发明的方法是基于比较时间探测器电路的特性实现对放大器增益误差的校准。比较时间探测器最开始常用在SAR ADC中用于校准电容失配，本发明将比较时间探测器运用于流水线ADC中，使用比较时间探测器对流水线ADC的级间增益误差进行校准，并通过改进的算法解决了由比较器偏移引起的校准精度下降问题。本发明提出的级间增益校准方法原理简单且易于实现，能够适用于任何流水线型模数转换器，用于校准流水线型模数转换器输出码字中由级间增益误差带来的误差，显著的提高了级间增益的校准精度，从而有效提升了整体ADC的性能。

技术领域

本发明属于模拟集成电路技术领域，具体为一种基于比较时间探测器的流水线ADC级间增益校准方法。

背景技术

流水线ADC兼顾高速度和高精度，被广泛地运用于通信系统、测试设备和相控阵雷达等现代电子设备中。流水线ADC由工作在双相不交叠时钟下的结构相同的转换子级级联而成，各转换子级则由基于运算放大器(OPAMP)和开关电容电路构成的MDAC以及基于比较器的闪存型子ADC构成。由于子级中存在开关的电荷注入效应、采样电容失配、比较器失调、运算放大器的有限增益和非线性效应等非理想因素，这些因素限制了转换器最终能够达到的精度。为了降低非理想因素的影响，提升ADC的性能，通常需要对ADC进行校准。校准的过程包括两个步骤：误差的检测和误差的补偿。误差的检测可以通过在模拟域增加额外的检测电路来实现，也可以通过在数字域使用特殊的算法进行检测，但相对于在模拟域检测而言，数字域的检测算法更为复杂，算法所需要的检测时间要更长，实现起来也更为困难。在模拟域进行误差的补偿通常需要增加修调小电容网络，通过调节模拟域的电压/电流/电阻等达到收敛和稳定，加大了电路的设计难度和复杂度；此外，数字电路技术的发展和CMOS工艺的改进，实现了数字电路面积和功耗的大幅度下降，因此，利用现有技术解决该难题最好的方法就是在数字域对检测到的误差进行量化，然后对输出码字进行误差的补偿。另外，根据是否需要中断正常的转换，可以将校准技术分为前台校准技术和后台校准技术。前台校准技术需要中断正常的转换甚至正常的输入，借助输入特定的信号来辅助校准，虽然其校准收敛速度快，但是其不能跟随当参数和环境实时变化。后台校准技术不需要中断正常的转换，不需要借助特定的输入信号来辅助校准，并且可以对误差进行实时检测和补偿。由于级间冗余放大器容易受到温度、电压等环境因素的影响，前台校正不能够跟随这些环境因素的变化而变化，其校正的效果非常有限。所以一般采用后台实时校正技术。

目前主要有两种类型的数字后台校准技术。第一种是基于确定性等式(Deterministic Equalization)的校准技术。该方式的校准技术主要有三种不同的实现方式。1)基于参考通道的方式，其思想是利用一个高精度、速度低的参考ADC来进行误差的检测，校准具有失配的主ADC；2)基于添加失调两次转换的方式，其通过构造两次不同offset的数据转换来实现；3)基于分裂式(Split)ADC的方式构造出一个确定的等式。第二种是基于伪随机噪声(Pseudorandom Noise)的校准技术。其主要是通过在前级ADC的输入注入与输入信号不相关的伪随机噪声信号，并且注入的伪随机噪声信号的统计特性近似于白噪声，经过后级进行量化，然后在数字域中基于统计学的原理将误差因子分离，从而就可以得到包含误差的量化结果。具体做法是将伪随机噪声信号注入到流水线ADC的信号通路中，得到包含伪随机噪声信息的输出数字码。即加入伪随机噪声后输出的数字码包含的信息包括输入信号，电路的非理想因素导致的误差，以及伪随机噪声。由于伪随机噪声序列与输入信号非相关，其只与误差信息有关，且伪随机噪声序列的统计特性近似于白噪声，所以只需要对输出数字码和伪随机噪声取相关即可得到误差信息。

基于确定性等式的校准技术存在构造确定性等式所需要的硬件开销大的缺点，而基于伪随机噪声的校准技术存在收敛速度慢的问题。

发明内容