用於模數轉換器的校準方案的製作方法

2023-04-28 08:49:41 2

專利名稱：用於模數轉換器的校準方案的製作方法
技術領域：
本公開總體上涉及模數轉換技術，更具體地說，涉及用於模數轉換的校準方案。
背景技術：
若干電子系統為了其功能而需要模數轉換器(ADC)。根據具體系統的特性，對於ACD和該ACD的性能參數存在特定要求。就準確性、解析度和線性而言，性能的提高是以由基本物理定律所導致的功耗增加為代價的。此外，通過深亞微米晶片製造技術實現的數位訊號處理領域的發展和計算能力的迅速増加，已經使得數字域中可實現的準確性、速度和性能幾乎無限。這導致了對於它們的模擬對應物的高性能和速度的需求日益増加，在模擬對應物中絕大多數系統中的ADC代表了這ー瓶頸。與ADC相關聯的準確性和速度的極限已經持續提升。然而，在某個階段，在模擬電路系統中能夠獲得的性能受限於用於製造所述電路的技術缺乏適當的準確性。通過諸如修整、求平均和各種形式的校準的若干技術，能夠緩解在製造技術中的有限準確性和失配誤差的影響。然而，修整是有效但成本較高的過程。因此，其僅用於其中絕對需要性能並且能夠容忍成本增加的系統中。求平均是ー項簡單技術，並且具有減少隨機噪聲的額外益處。求平均除了緩解與由所採用的製造技術所導致的有限準確性和失配誤差有關的問題以外，還改善了 ADC的信噪比(SNR)。例如，圖I的現有求平均技術可以被用於減少失配的影響，並且改善ADC中的總SNR。更具體地說，輸入104被應用於能夠被並聯配置的任意數目的子ADC 100-102,以使得每個子ADC 100-102表示ー個ADC信道或者簡單地說表示信道。子ADC 100-102可以是完全獨立的ADC或者多信道ADC的任何組合。每個ADC對輸入104處的信號採樣，並且將其轉換成具有給定準確性的數字字。來自每個子ADC的數字輸出數據被數位訊號處理塊103收集，並且以適當的格式在輸出105處被呈現以用於進一歩處理。數位訊號處理塊103計算由每個子ADC 100-102提供的數據的平均值。計算平均值等同於對子ADC 100-102的輸出求和，並且，如果期望，將輸出截短成適當的位數。假定在子ADC 100-102中的每ー個中隨機噪聲不相關，每當子ADC 100-102的數目加倍時，等效輸出噪聲以3 dB的因子減少。將單一子ADC 100-102的SNR表示為SNRsumdc,在輸出105處的總SNR，SNRtotal變成
SNR^t= SNKim, H) h$us N^ihwr，⑴
其中，NsubAD。等於被使用的子ADC 100-102的數目。假定每個子ADC 100-102之間誤差是不相關的，則失配誤差將遵循與隨機噪聲相同的等式。在許多情形中，不能保證在信道之間誤差不相關。在這些情形中，可能需要校準。此外，校準可以比利用求平均可獲得的更高效地消除誤差。存在兩種不同的ADC校準方法，包括前臺校準和後臺校準。後臺校準與ADC的正常操作同時執行。存在若干實施後臺校準的現有技術。在絕大多數情形中，通過將已知校準信號添加到傳播通過ADC的信號，來執行校準。將這個校準信號從ADC輸出減去，以確保ADC的性能不下降。使用高級信號處理算法以在校準信號通過電路系統時分析其屬性，並且基於這些結果，調整用於補償在電路中的不同類型誤差或不準確性的係數。目前已經提出的用於後臺校準的所有解決方案具有至少兩個主要問題。第一個是高複雜性以及在模擬性能和數字校準邏輯之間非常緊密的耦合。這導致了設計過程非常複雜並且難以管理。其他主要局限性是在校準算法中所需要的長收斂時間。在絕大多數公開文獻中，報告了校準信號所需要的收斂時間為數千萬次的ADC轉換。即使對於高速ADC，這導致收斂時間太長，以致無法追蹤可能由溫度或供給電壓的變化引起的參數的典型變化。 對於前臺校準，存在模擬和數字解決方案這二者。這些技術的共同之處是，需要ADC停止正常操作，採用與在正常操作中所使用的相同電路系統執行校準序列，然後返回至正常操作。對於許多電子系統，ADC在某些時間點不可用於正常操作是可接受的。然而，在許多應用中，ADC連續運轉，並且將必須在不中斷正常操作的情況下被校準。這通常通過具有當校準序列被執行時能夠被使用的冗餘電路系統來解決。這些解決方案的額外成本和複雜性使得該使用不現實，並且很少應用於商業產品。

發明內容
為了滿足前述的需求，公開了ー種具有提高的性能的模數轉換器(ADC)。該ADC包括若干子ADC、信號輸入、數位訊號處理(DSP)塊和數字輸出。每個子ADC以給定的準確性轉換輸入信號，並且將輸出傳送至DSP塊。計算來自每個子ADC的結果的平均值，以輸出具有較高信噪比(SNR)的単一數字輸出字。每個子ADC分別具有用於從輸入斷開、執行校準序列然後恢復正常操作的裝置。在特定子ADC的校準期間，剰餘子ADC將以略微降低的SNR正常操作，因為用於求平均的子ADC數目較小。公開了被配置成以提高的性能輸出數據的另一 ADC裝置。ADC裝置包括輸入信號連接器、輸出信號端ロ、兩個或更多子ADC和DSP塊。DSP塊被配置成接收每個子ADC的輸出，並且被進ー步配置成獨立地執行每個子ADC的校準，而其他子DAC和DSP塊被配置成正常操作和輸出數據。在一個優化實施例(refinement)中，模擬輸入信號在被應用於姆個子ADC的輸入之前通過獨立的塊。公開了被配置成以提高的性能輸出數據的又另ーADC。ADC包括輸入信號連接器、輸出信號端ロ、兩個或更多子ADC、DSP塊和控制機構。DSP塊被配置成接收每個子ADC的輸出，並且被進ー步配置成獨立地執行每個子ADC的校準，而其他子ADC和DSP塊被配置成正常操作和輸出數據。控制機構被配置對每個信道的校準排序(sequence)並且在操作期間被配置成連續保持所有子ADC和DSP塊的最優性能。在一個優化實施例中，模擬輸入信號在被應用於每個子ADC的輸入之前通過獨立的塊。當結合附圖閱讀時，其他優勢和和特徵從下文具體描述中將是顯而易見的。


在附圖中，對公開的模數轉換器(ADC)裝置或多或少進行了圖解描述，其中
圖I是ADC裝置的現有技術示意圖；以及
圖2是根據本公開的教導構造的示例性ADC裝置的示意圖。應理解的是，附圖不一定按比例繪製，並且某些時候，通過圖形符號、假想線、圖形表示和片段視圖闡釋這些實施例。在某些實例中，對於理解本公開並非必要的細節或使得其他細節難以理解的細節可能已經被省略。當然，應理解的是，本公開不限於此處所說明的具體實施例和方法。
具體實施例方式本公開的操作原理基於多個模數轉換器(ADC)信道的求平均以便提高準確性，並且同時允許在不中斷正常操作的情況下校準每個信道。圖I的實施例示出了其中通過利用求平均配置或技術可以改善準確性的現有技術解決方案。圖2的示例性實施例示出了其中可以利用求平均來提高信噪比(SNR)並且允許在不中斷正常ADC操作的情況下運行校準的ADC配置。更具體地說，輸入信號1004可以被應用於並聯配置的任意數目的子ADC 1000-1002，其中，每個子ADC 1000-1002表示ー個信道。子ADC 1000-1002可以是完全獨立的ADC 1000-1002或者可以是多信道ADC1000-1002的任何組合。每個ADC 1000-1002可以對輸入1004處的信號採樣，並且將其轉換成具有給定準確性的數字字。數字輸出數據可以由數位訊號處理(DSP)塊1003收集，並且以適當的格式，在例如輸出端ロ 1005處被輸出，用於進一歩處理。DSP 1003可以被配置成計算來自每個子ADC 1000-1002的數據的平均值。計算平均值可以等同於對子ADC 1000-1002的所有輸出求和，並且如果期望，將輸出截短成適當的位數。從ADC裝置得到的SNR可以通過例如等式(I)確定。每個子ADC 1000-1002可以進ー步提供校準輸入1006。例如，當用於ー個信道的校準輸入1006被激活時，信道可以從輸入1004斷開，執行校準序列，並且連接回至輸入1004，以恢復正常操作。用於每個ADC信道的校準方案可以通過適合於在每個子ADC1000-1002中所使用的架構的任何方式來實施。在一個信道的校準期間，其餘信道可以正常操作。在此期間，得到的SNR可以根據在該系統中的子ADC 1000-1002的總數目而略微降低。例如，等式(2)示出了在校準期間得到的SNR，5M^Z，其中Nsumdc可以對應於子ADC 1000-1002的數目並且Ic4z可以對應於在校準中子ADC 1000-1002的數目。
SNR^hutl IO I.寧.'Mf,t.(2|如從等式(2)所看出的，同時被校準的子ADC 1000-1002的數目#可以是I。從等式(2)也可以看出，通過具有較高數目的子ADC 1000-1002，可以使得在校準期間的SNR幾乎等於在正常操作中的SNR。然而，絕大多數應用可以要求SNR在某個數目的樣本上平均是適合的。如果與下文方法結合使用，這可以允許使用較低數目的子ADC1000-1002。可能需要若干ADC樣本來執行用於大多數ADC校準方案的完全校準。然而，這些樣本不需要是連續的。這可以允許校準樣本被散布於較長時間段上。例如，如果當所有子ADC 1000-1002以正常操作模式操作時執行Mn個樣本，那麼，Mcal個子ADC 1000-1002可以執行ー個單一校準樣本，隨後是正常操作的Mn個樣本的新序列。然後，第ニ子ADC 1000-1002執行ー個校準，隨後是正常操作的Mn個樣本的新序列。這種序列可以被重複，直到所有信道每個已經執行了所需數目的校準樣本M。。平均SNR(SNRavg)以及校準周期Tm可以如等式(3)中所示的那樣被確定。校準周期可以是校準特徵能夠多快地追蹤通常由於變化的環境條件所引起的條件變化的度量。例如，可以通過時鐘循環的數目，測量電源電壓和溫度、Ti。
權利要求
1.一種被配置成以提高的性能輸出數據的模數轉換器(ADC)裝置，包括 輸入信號連接器； 輸出信號埠； 兩個或更多子ADC，每個子ADC具有輸出；以及 數位訊號處理(DSP)塊，被配置成接收每個子ADC的輸出，所述DSP被配置成獨立地執行每個子ADC的校準，而其他子ADC和DSP塊被配置成正常操作和輸出數據。
2.根據權利要求I所述的裝置，其中，模擬輸入信號在被應用於每個子ADC的輸入之前通過獨立的塊。
3.—種被配置成以提高的性能輸出數據的模數轉換器(ADC)，包括 輸入信號連接器； 輸出信號埠； 兩個或更多子ADC，每個子ADC具有輸出； 數位訊號處理(DSP)塊，被配置成接收每個子ADC的輸出，所述DSP被配置成獨立地執行每個子ADC的校準，而其他子ADC和DSP塊被配置成正常操作和輸出數據；以及 控制機構，被配置成對每個信道的校準排序，以及在操作期間，被配置成連續保持所有子ADC和DSP塊的最優性能。
4.根據權利要求3所述的裝置，其中，模擬輸入信號在被應用於每個子ADC的輸入之前，通過獨立的塊。
全文摘要
一種模數轉換器(ADC)裝置包括輸入信號連接器、輸出信號埠、兩個或更多子ADC、數位訊號處理(DSP)塊，其中，來自每個子ADC的結果被DSP塊使用，以便以提高的性能輸出數據，並且獨立地執行每個子ADC的校準，而其他子ADC和DSP塊正常操作和輸出數據。
文檔編號H03M1/10GK102687402SQ201080048688
公開日2012年9月19日 申請日期2010年8月24日 優先權日2009年10月29日
發明者B.赫恩斯, O.莫爾茲沃爾, 伊瓦爾·洛肯 申請人:北極矽設備公司