用於流水線a/d轉換器的單冗餘位數字校正方法
2023-10-10 06:14:59 1
專利名稱：用於流水線a/d轉換器的單冗餘位數字校正方法
技術領域：
本發明涉及一種單冗餘位的數字校正方法，特別涉及一種用於流水線A/D轉換器的單冗 餘位數字校正方法。它直接應用的領域是流水線A/D轉換器的數字校正領域。
背景技術：
A/D轉換器的電路結構主要有逐次比較結構、積分型結構、全並行(flash)結構、分級 結構、流水線結構和A—E過採樣結構等。高速高精度A/D轉換器電路涉及的主要電路結構 為流水線結構。流水線結構的基本思想由S.H丄ewis等人於1987年提出，其原理是利用低精度的A/D轉 換器以流水線的方式連接實現高精度A/D轉換器。1990年B.Ginetti等人在此基礎上又引入 了冗餘位的基本思想，也就是目前應用較為成熟的每級1.5位的流水線結構，每級流水線引 入1個有效數據位和1個冗餘位，每級輸出OO， 01， IO三種編碼之一，最後將各級輸出適當 延遲後，送到編碼重建電路進行疊位相加，得到校正後的輸出碼。這種結構通過引入冗餘位 和數字校正電路，對比較器失調引入的誤差進行校正，在流水線A/D轉換器中得到廣泛的應 用。但是，這種結構及相應的數字校正方法應用於高速高精度A/D轉換器時，存在如下問題 1)各級子電路的輸出電壓範圍佔滿整個基準電壓區間[^e(， &e/+]，沒有多餘的基準電壓 區間用於引入負向冗餘碼和正向冗餘碼，當輸入信號小於FwX時，輸出為全0;輸入信號大 於FwZ+時，輸出為全l，即校正後的輸出碼不能標識輸入信號的負向溢出和正向溢出。2)流 水線級數等於A/D轉換器的位數減1，位數越多，級數就越多。以16位A/D轉換器為例， 若採用每級1.5位的流水線結構，則需要15個流水線級，與相同結構的8位以下的A/D轉換 器相比，版圖面積和功耗將大大增加。3)輸入輸出延遲時間與流水線級數成正比，級數增加 的同時輸入輸出延遲時間也隨之增大。對於目前常規的用於比較器失調誤差的數字校正方法，根據每級1.5位原理，類推得到每 級("+0.5)位結構，即每級流水線引入w個有效數據位和1個冗餘位，每級輸出0 (2"+1-1) 對應的二進位編碼，各級輸出適當延遲後，送往編碼重建電路進行疊位相加，得到校正後的 輸出碼。這種常規方法在用於高速搞精度A/D轉換器的數字校正時，也存在以下問題即該 方法同樣沒有引入負向冗餘碼和正向冗餘碼，因此不能標識輸入信號的負向溢出和正向溢出。發明內容為克服常規的用於流水線A/D轉換器的數字校正方法應用於高速高精度A/D轉換器時， 所需流水線級數過多引起的版圖面積、功耗以及輸入輸出延遲時間增大，且不能標識輸入信 號負向溢出和正向溢出的問題，本發明提供一種用於流水線A/D轉換器的單冗餘位數字校正 方法，所採取的技術方案，包括以下步驟(1) 分配流水線A/D轉換器的每級子電路的解析度；(2) 首先對第1級子電路的輸入電壓進行量化，得到量化溫度計碼，並計算量化溫度計 碼對應的模擬電壓，即得到被量化的電壓，接著用輸入電壓減去被量化的電壓，得到殘餘電 壓，將殘餘電壓放大並平移到基準電壓區間的中部，得到第1級子電路的輸出電壓，最後將 第1級子電路的輸出電壓送往第2級子電路，如此循環，直至最末級子電路，即第m級子電 路，第m級子電路不產生殘餘電壓；(3) 確定與各級子電路的量化溫度計碼相對應的各級編碼及偏移碼；(4) 各級偏移碼按權重相加，得到總偏移碼；(5) 各級編碼按權重相加，並加上總偏移碼，對流水線A/D轉換器中的由比較器失調引 入的誤差進行校正，得到校正後的輸出碼。所述步驟(2)中，對各級子電路的輸入電壓進行量化的有效解析度》1。所述步驟(2)中，對各級子電路的輸入電壓進行量化時，引入l個冗餘解析度。所述步驟(2)中的各級子電路的輸出電壓的範圍僅佔基準電壓區間的一半。所述步驟(3)中的各級編碼，僅引入l個冗餘解析度，同時包含負向冗餘碼、有效碼、 正向冗餘碼。所述步驟(3)中的各級編碼包括有^1個負向冗餘碼。 所述步驟(3)中的各級編碼包括有》2個有效碼。 所述步驟(3)中的各級編碼包括有》1個正向冗餘碼。 所述步驟(3)中，引入了偏移碼，使負向冗餘碼能用正數表示。所述步驟(5)中，在校正後的輸出碼的最高有效位前引入溢出位，使溢出位能夠標識輸 入信號的負向溢出和正向溢出。 有益效果與現有常規的流水線A/D轉換器的數字校正方法相比，本發明的用於流水線A/D轉換器 的單冗餘位數字校正方法，具有以下優點(1)本發明方法首次提出了多個負向冗餘碼和多個正向冗餘碼的編碼方法，流水線A/D轉換器經本發明方法校正後，其溢出位能標識輸入信號的負向溢出和正向溢出，即帶雙向溢 出；而常規的數字校正方法中，不能標識負向溢出和正向溢出。(2) 本發明方法僅引入了 1個冗餘解析度，就能同時包含負向冗餘碼、有效碼和正向冗 餘碼；而常規的數字校正方法引入1個冗餘解析度，並不包含負向冗餘碼和正向冗餘碼。(3) 本發明方法中，每級子電路的輸出電壓範圍僅佔基準電壓區間Fre/+,— 半，另外一半基準電壓區間可用於引入負向冗餘碼和正向冗餘碼；而常規的數字校正方法中 子電路輸出電壓範圍佔滿整個基準電壓區間，無法引入負向冗餘碼和正向冗餘碼。(4) 本發明方法可以明顯減少高速高精度流水線A/D轉換器的級數。以16位A/D轉換 器為例，若採用每級1.5位結構，需要15個流水線級，而按照本發明方法，採用每級3個有 效數據位+1個冗餘位結構，僅需5級，總級數減少了67%，雖然本發明方法的比較器個數 有所增加，但放大器個數明顯減少，而版圖面積和功耗主要集中在放大器上，因此，可以大 幅節省版圖面積、功耗和輸入輸出延遲。(5) 本發明方法在編碼中引入了偏移碼，使負向冗餘碼能用正數表示，而實際的正數加 法電路比負數加法電路結構更簡單，因此降低了運算電路的複雜程度。(6) 本發明方法的各級子電路內部採用全並行結構，各級子電路之間採用流水線方式連 接，因此採用本校正方法的流水線A/D轉換器兼具全並行結構高速和流水線結構高精度的優 點。
圖1為本發明的用於流水線A/D轉換器的單冗餘位數字校正方法的步驟流程圖；圖2為本發明方法中的流水線A/D轉換器的結構示意圖；圖3為本發明方法圖2中前(m—l)級子電路之一的結構示意圖；圖4為本發明方法圖3中的MDAC的結構示意圖；圖5為本發明方法圖4中的flashADC的結構示意圖；圖6為本發明方法圖2中的第w級子電路的結構示意圖；圖7為本發明方法的編碼重建邏輯示意圖；圖8為本發明方法實施例中第1 4級子電路的傳輸函數及對應的編碼示意圖。
具體實施方式
本發明的具體實施方式
不僅限於下面的描述，現結合附圖加以進一步說明。 本發明方法中流水線A/D轉換器的總體結構示意圖如圖2所示。整個流水線A/D轉換器 的結構包含1個採樣保持電路、w個子電路和1個編碼重建電路，其工作原理為外部輸入 信號經採樣保持電路，送往第1級子電路，第1級子電路對其輸入電壓進行量化，得到量化溫度計碼，並計算量化溫度計碼對應的模擬電壓，即得到被量化的電壓，接著用輸入電壓減 去被量化的電壓，得到殘餘電壓，將殘餘電壓放大並平移到基準電壓區間的中部，得到第1級子電路的輸出電壓，然後將第1級子電路的輸出電壓送往第2級子電路，如此循環，直至 最末級子電路，即第m級子電路，第m級子電路不產生殘餘電壓；同時，各級子電路確定各 級量化溫度計碼對應的編碼及偏移碼，並將各級編碼及偏移碼適當延遲後，送往編碼重建電 路，校正比較器失調引入的誤差後，形成校正後的輸出碼。本發明用於流水線A/D轉換器的單冗餘位數字校正方法，特別適用於高速高精度A/D轉 換器，其步驟流程圖如圖l。具體的實施步驟如下1) 分配流水線A/D轉換器的每級子電路解析度。圖2中的w值根據A/D轉換器的實際精度確定。例如，1個16位A/D轉換器，m取5， 前(附一l)級子電路取相同解析度(子電路解析度一般可取2 5)，可分為(4+4+4+4+4) 結構，每級含l個冗餘位；若m取4，前(m —1)級子電路取相同解析度，可分為(5+5 + 5+4)，每級含l個冗餘位；m也可取其它值，每級子電路的解析度也可不同，但每級子電路 的冗餘解析度始終為1。2) 首先對第1級子電路的輸入電壓進行量化，得到量化溫度計碼，並計算量化溫度計碼 對應的模擬電壓，即得到被量化的電壓，接著用輸入電壓減去被量化的電壓，得到殘餘電壓， 將殘餘電壓放大，並平移到基準電壓區間的中部，得到第1級子電路輸出電壓，最後將第1 級子電路輸出電壓送往第2級子電路，如此循環，直至最末級子電路，即第w級子電路，第 m級子電路不產生殘餘電壓。本發明方法圖2中前(m—l)級子電路之一的結構示意圖如圖3所示，每級子電路都包 括1個乘法D/A轉換器，即MDAC (Multiplying D/A Converter)和1個編碼及偏移碼分配電 路。編碼及偏移碼分配電路根據量化溫度計碼，計算並輸出編碼和偏移碼，量化溫度計碼為 MDAC中輸出的溫度計碼，每級子電路都有固定的偏移碼。本發明方法圖3中的MDAC的結構示意圖如圖4所示，它包含1個flashADC、 1個傳輸 函數為/(A)的D/A轉換器和1個放大倍數為G,的級內殘差放大器。工作時，falshADC首先量化輸入J^(,)，得到量化溫度計碼A(i),A(2),…,A(cw(0) ， D/A轉換器將量化溫度計碼轉換為模擬值4，並從輸入^(,)中減去該模擬值，生成一個殘差4)，通過級內殘差放大器放大，並平移後送往下級子電路。MDAC的具體工作步驟如下(a)首先，flashADC量化子電路的輸入信號，輸出量化溫度計碼。 本發明方法圖4中的flashADC的結構示意圖如圖5所示，它包含一個分壓電阻串和一個比較器陣列。若第z'級子電路(其中1S/S附)輸出有效位個數為A，冗餘位個數為l，總解析度為(A+1)，則對應的量化區間個數，即量化溫度計碼個數為:CiV。 = 2B'+1 (1)第/級子電路比較器個數為2S'+1-1 (2) 第/級子電路分壓電阻串中的電阻個數為2^',將基準電壓區間[r^/L， F"/J劃分為2^1個大小相同的量化區間。第/級子電路輸出，即第/級子電路中flashADC中的比較器陣列輸 出的量化溫度計碼為A(1), A (2)，…,A(CW(/))。(b) 接著，將falshADC輸出的量化溫度計碼轉換為對應的模擬信號4。 4定義為第z'級子電路輸入信號所在量化區間的中點電壓，若第/級流水線第A個比較器輸出為D,(A:)(比較器正端輸入電壓大於負端輸入電壓時，輸出為l，反之輸出為0)，貝U4 =卿=呵—+ W/-)x|^ (3)c闢)其中，2a(Q， BB(m-l)。(c) 最後，將第/級子電路輸入信號已(,)與4相減，其差值經殘差放大器放大，並平移到基準電壓區間[F^/:, ^^/+]的中部後，送往下一級子電路。其中，^為第/級子電路殘差放大倍數4)G,+::(w/++w/-) (4)G, =2S'， 1) (5)本發明方法圖2的第m級子電路的結構示意圖如圖6所示，它包含1個flash ADC和1 個編碼及偏移碼分配電路。其中flash ADC工作過程同上述步驟(a)。 3)確定與各級子電路的量化溫度計碼相對應的編碼及偏移碼。 (a)編碼確定第/級子電路中falsh ADC輸出的溫度計碼為A(2),…,A(CiV(/))，則編碼為式(3)中Z),對應的CS'+1)位二進位編碼。在理想情況下，由於4 (其中l^K(m-l))始終對應每個量化區間的中點電壓，因此，^"(,)-4小於等於量化區間寬度(即比較器間隔電壓)的一半，即formula see original document page 8由(4)、 (5)、 (6)式，可得formula see original document page 8由(7)式可知，第/級子電路輸出電壓乙,(。範圍關於兩基準電壓的中間值^K^/;+r^/:)對稱，即分布在丄(7/"< + ^^/)左右丄(7^/;-Fre/)區間內，而編碼對應於整個基準電壓區 2 " 4間[&eX， Fre/+]，即| )左右全(^/+區間。因此編碼序列中前^CiV(/)個編碼為負向冗餘碼，中間lciV(/)個編碼為有效碼，後lcW(z')個編碼為正向冗餘碼，可見，2 4冗餘碼和有效碼個數相同，且正向冗餘碼和負向冗餘碼個數相同。正向冗餘碼和負向冗餘碼 用於校正比較器失調引入的誤差。 (b)偏移碼確定對第i級子電路，輸入信號範圍與基準電壓範圍相同，分布在I(f^/;+f^/:)左右F^/一)區間內，因此，偏移碼為0。 第/級子電路(2^^附)，理想情況下，輸入信號(即前一級子電路的輸出電壓乙,(,—J僅分布在丄(^e義+ ^e/ )左右丄- J^e/ )區間內，編碼應從基準電壓的第2個丄區間開 2 +—4 4始從0計數，而實際編碼從第l個丄區間就開始了，相當於實際編碼偏移了丄個區間，因此，4 4，i偏移碼為-一。 4因此，第/級子電路輸出偏移碼為0, / = 12s'+1 (8)--， 2S!'S附44) 各級偏移碼按權重相加，得到總偏移碼。各級偏移碼按權重相加，得到總偏移碼S。S"、,^—2…^&S, (二進位補碼形式)，其中"為A/D轉換器的精度，S。為符號位。5) 各級編碼按權重相加，並加上總偏移碼，對流水線A/D轉換器中的由比較器失調引入的誤差進行校正，得到校正後的輸出碼。第Z'級子電路中比較器失調電壓的校正範圍為=+1^/+ r j 一 —2 2盡+1本發明方法的編碼重建邏輯示意圖如圖7所示。此處在輸出碼的最高有效位ZP"前引入Z)。作為溢出標識位，當輸入信號小於^^/_或者大於^^/+時，Z)。=l;當輸入信號在兩基準電壓之間時，/)。=0。由於每一個實際A/D轉換器對應的二進位總偏移碼為固定值，因此可以在 設計時將其固化到編碼重建電路中，而不必在每次校正時重新計算。校正原理如下若僅第/級子電路存在比較器失調誤差時，量化溫度計碼對應的編碼將比實際值小i (偏小)或大l (偏大)。當第/級編碼比理想值小l時，對應的模擬信號4也比實際值小l個量化電平(理想情況下的比較器間隔電壓)，因此，會從該級輸入信號中少減去l個量化電平，以至於第/級子電路輸出電壓F。—)偏大l個量化電平，F。一)經下級子電路量化後，輸出的編碼也比理想值大G,，各級子電路輸出的編碼及偏移碼按權重相加後，得到的輸出碼與第/級子電路不存在比較器失調時的輸出碼(理想輸出碼)是一致的。當第/級編 碼比理想值大l時，同理。總之，前級子電路多量化了，後級子電路就少量化，前級子電路 少量化了，後級子電路就多量化，各級子電路輸出的編碼和偏移碼按權重相加後，就可以校 正比較器失調引入的誤差，得到校正後的正確輸出碼。本發明實 際用於常規混合集成電路工藝製造的16位A/D轉換器，其校正過程如下1)無溢出情況以16位A/D轉換器為例，設基準電壓為^^/_和1^《，令^^/ = ^^/+-^^/_，輸入(a) 若採用理想的16位A/D轉換器(即不存在比較器失調誤差的16位A/D轉換器) 量化，輸出碼為12345對應的二進位碼:0011 0000 0011 1001(b) 若採用本發明提出的結構和本發明的數字校正方法，子電路級數m取5，採用(4 +4+4+4+4)結構，即每級子電路包含3個有效數據位和l個冗餘位，第1 4級子電路傳輸函數如圖8所示。存在比較器失調誤差，且失調誤差不超過±(^6/+3—2F"g/-)時，由式(3)、(4)、 (5)、 (8)，可得每級子電路量化過程為第l級輸出編碼0010 (理想輸出為0011，假設第l級比較器失調使輸出碼偏小)第1級輸出電壓= = +^/_)第2級輸出編碼1011 (理想輸出為1100，假設第2級比較器失調使輸出碼偏小)第2級輸出電壓巳(2) =^^/ + 5(^/++^/—)第3級輸出編碼1101 (理想輸出為1100，假設第3級比較器失調使輸出碼偏大)第3級輸出電壓^,(3)=一^^/ + ,<*/_)第4級輸出編碼0010 (理想輸出為0011,假設第4級比較器失調使輸出碼偏小)第4級輸出電壓^(4)=^:&e/ + 4(F^/++&e/—)16 2第5級輸出編碼1101 總偏移碼為111110110 11011100總編碼為0 0011 1001 0101 1101校正後的輸出碼為0 0011 0000 0011 1001 (最高位為溢出位)上述實例中溢出位為0，表明輸入信號沒有超出基準電壓範圍。(a)和(b)兩種情況下 輸出碼相同，可見，前(m—l)級子電路中比較器失調引起的編碼誤差都可以被校正，校正 後的輸出碼與理想的16位A/D轉換器量化後的輸出碼一致。如果還需要校正最末級比較器 失調誤差，可追加1級低解析度子電路，如總解析度為2的子電路，則可完全消除比較器失 調誤差。2)負向溢出情況以16位A/D轉換器為例，設基準電壓為^^/1和「"/+,令^^/ = 1^<-1^^/_，輸入(a) 若採用理想的16位A/D轉換器(即不存在比較器失調誤差的16位A/D轉換器) 量化，其已<^^/_，理想量化後應該為負向溢出。(b) 採用本發明提出的結構和校正方法，子電路級數m取5，採用(4+4+4+4+4) 結構，即每級子電路包含3個有效數據位和1個冗餘位，第1 4級子電路的傳輸函數及對應的編碼示意圖如圖8所示。比較器失調誤差不超過士-F"e/—)時,由式(3)、 (4)、 (5)、32(8)，可得各級子電路量化過程如下(正溢出時同理可得)第1級輸出編碼0000 (存在比較器失調誤差時，該輸入對應的輸出編碼不變)2049 1第l級輸出電壓= -|^~/+*(^/; +第2級輸出編碼0100 (理想輸出為0011,假設第2級比較器失調使輸出碼偏大)257 1第2級輸出電壓乙,(2) =-^^/ + (^/++)^/_)第3級輸出編碼0100 (理想輸出為0011，假設第3級比較器失調使輸出碼偏大)第3級輸出電壓formula see original document page 11第4級輸出編碼0100 (理想輸出為0011，假設第4級比較器失調使輸出碼偏大)第4級輸出電壓formula see original document page 11第5級輸出編碼0011 總偏移碼為1 1U1 0110 1101 1100 總編碼為0 0000 1001 0010 0011校正後的輸出碼為1 1111 1111 1111 1111 (最高位為溢出位)上述實例中溢出位為1，表明輸入信號超出基準電壓範圍。可見，經本發明方法校正後的輸出結果與理想的16位A/D轉換器的輸出結果一致，因此本發明方法的溢出位能夠標識輸 入信號的負向溢出，並且能夠在各級子電路存在比較器失調誤差的情況下，正確標識輸入信 號的負向溢出。同理，由輸入為formula see original document page 11的情況，可以看出，溢出位能夠在各級子電路存65536在比較器失調誤差的情況下，正確標識輸入信號的正向溢出。
權利要求
1.一種用於流水線A/D轉換器的單冗餘位數字校正方法，包括以下步驟(1)分配流水線A/D轉換器的每級子電路的解析度；(2)首先對第1級子電路的輸入電壓進行量化，得到量化溫度計碼，並計算量化溫度計碼對應的模擬電壓，即得到被量化的電壓，接著用輸入電壓減去被量化的電壓，得到殘餘電壓，將殘餘電壓放大並平移到基準電壓區間的中部，得到第1級子電路的輸出電壓，最後將第1級子電路的輸出電壓送往第2級子電路，如此循環，直至最末級子電路，即第m級子電路，第m級子電路不產生殘餘電壓；(3)確定與各級子電路的量化溫度計碼相對應的各級編碼及偏移碼；(4)各級偏移碼按權重相加，得到總偏移碼；(5)各級編碼按權重相加，並加上總偏移碼，對流水線A/D轉換器中的由比較器失調引入的誤差進行校正，得到校正後的輸出碼。
2. 根據權利要求1所述的用於流水線A/D轉換器的單冗餘位數字校正方法，其特徵在於， 所述步驟(2)中，對各級子電路的輸入電壓進行量化的有效解析度》1。
3. 根據權利要求1所述的用於流水線A/D轉換器的單冗餘位數字校正方法，其特徵在於， 所述步驟(2)中，對各級子電路的輸入電壓進行量化時，引入l個冗餘解析度。
4. 根據權利要求1所述的用於流水線A/D轉換器的單冗餘位數字校正方法，其特徵在於， 所述步驟(2)中的各級子電路的輸出電壓的範圍僅佔基準電壓區間的一半。
5. 根據權利要求1所述的用於流水線A/D轉換器的單冗餘位數字校正方法，其特徵在於， 所述步驟(3)中的各級編碼，僅引入l個冗餘解析度，同時包含負向冗餘碼、有效碼、正向 冗餘碼。
6. 根據權利要求1所述的用於流水線A/D轉換器的單冗餘位數字校正方法，其特徵在於， 所述步驟(3)中的各級編碼包括有^1個負向冗餘碼。
7. 根據權利要求1所述的用於流水線A/D轉換器的單冗餘位數字校正方法，其特徵在於， 所述步驟(3)中的各級編碼包括有》2個有效碼。
8. 根據權利要求1所述的用於流水線A/D轉換器的單冗餘位數字校正方法，其特徵在於， 所述步驟(3)中的各級編碼包括有》1個正向冗餘碼。
9. 根據權利要求1所述的用於流水線A/D轉換器的單冗餘位數字校正方法，其特徵在於， 所述步驟(3)中，引入了偏移碼，使負向冗餘碼能用正數表示。
10. 根據權利要求1所述的用於流水線A/D轉換器的單冗餘位數字校正方法，其特徵在 於，所述步驟(5)中，在校正後的輸出碼的最高有效位前引入溢出位，使溢出位能夠標識輸 入信號的負向溢出和正向溢出。
全文摘要
本發明公開了一種用於流水線A/D轉換器的單冗餘位數字校正方法，包括以下步驟1)分配每級子電路的解析度；2)對每級子電路進行量化輸入電壓、計算殘餘電壓、放大殘餘電壓並平移到基準電壓區間的中部；3)確定各級編碼及偏移碼；4)計算總偏移碼；5)編碼重建，校正比較器器失調引入的誤差，得到校正後的輸出碼。與現有常規的流水線A/D轉換器數字校正方法相比，本發明方法具有以下優點能靈活分配每級子電路的解析度，明顯降低高速高精度A/D轉換器的流水線級數，因此大大節省版圖面積、功耗和輸入輸出延遲。本發明方法首次提出了多個正向冗餘碼和多個負向冗餘碼的編碼方法，流水線A/D轉換器經本方法校正後，其溢出位能標識輸入信號的負向溢出和正向溢出，即帶雙向溢出。本發明方法適用於流水線A/D轉換器，特別是高速高精度A/D轉換器的數字校正領域。
文檔編號H03M1/14GK101582696SQ20091010413
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月22日 優先權日2009年6月22日
發明者何開全, 濤 劉, 周述濤, 徐鳴遠, 婷 李, 李儒章, 沈曉峰, 王育新 申請人:中國電子科技集團公司第二十四研究所