专利名称：一种流水线模数转换器的级电路装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种级电路装置，特别涉及一种流水线模数转换器的级电路装置。
背景技术：
请参见图1所示，现有流水线模数转换器通过设有的采样保持模块100对输入的 模拟信号采样，由串联的若干级电路模块200和后模数转换模块300进行模数转换的量化， 得到的各级量化结果通过数字错位相加模块400加权相加输出数字信号。请参见图2所示，每一个级电路模块200，受两相非交叠时钟控制。在相位1时， 级电路采样模块230对该级输入的模拟信号采样，模数转换模块210对该信号进行转换得 到粗量化结果D。ut ；在相位2时，数模转换模块220将粗量化结果再转化成粗量化模拟信号； 然后级电路采样模块230从输入信号中减去粗量化模拟信号，并将减法结果放大以后给下 一级继续进行粗量化。每一级级电路模块200都如流水线般地采样、粗量化、相减放大。每 个级电路模块200的粗量化结果还输出到数字错位相加模块400。请参见图3所示的开关电容电路，通过与模数转换模块210配合作用，共同实现了 图2中级电路模块200的采样、粗量化、相减放大的过程。在相位1时，1开关导通，2开关 开路，Csi到Csn对输入电压Vin采样；模数转换模块210共有N级判决电平Vkefi到V_，对 输入电压Vin进行粗量化；在相位2时，2开关导通，1开关开路，由模数转换模块210的粗量 化结果决定Csi到Csn连接的是参考电压是+Vk还是-VK，这实现了图2中数模转换模块220 的功能。请配合参见图4和图5所示，如果上述开关电容电路中的电容都是理想值，由电荷 守恒公式转换能够得到如图4中虚线所示的级电路模块200的理想传输函数。假设各级级 电路模块200都是理想的模数转换器，那么将其中每级输出的模拟信号余量V。ut通过该级 之后的级电路模块200和后模数转换模块210进行模数转换得到的量化结果，与该级的粗 量化结果D。ut加权相加，得到级电路模块200的完整传输函数。理想情况下，该完整的传输 函数(V。ut+D。ut)应是如图5中虚线所示的一条斜率固定的直线，由每个判决电平Vkef加上理 想量化步长Vstep ideal即AD。ut = 1的权重得到。但是在实际情况中，开关电容电路的电容存在失配，包含系统误差(版图实现时 存在失配的寄生电容)和随机误差(设计时相同大小的电容制作出来并非相等)。电容的 失配会造成传输函数增益的变化以及过零点的变化(这也叫做数模转换噪声)，所以实际 的级电路模块200的传输函数和完整传输函数是如图4和图5中实线所示。由于数模转换 噪声的存在，使得理想AD。ut = 1的权重不等于实际的权重，即理想量化步长Vstep ide皿并不 等于Vkef处的实际量化步长Vstep Kg。因此在图4中表现为直线斜率的不一致，而在图5中 完整的传输函数在Vkef出产生了 “跳跃”。电容的失配会限制流水线模数转换器的线性度和有效位数。电容的匹配精度通常 不低于0. 1%，不做任何校准的流水线模数转换器的精度被限制在10到12位。[0008]现有对于电容失配的校准是通过加入随机扰动，使用相关算法估算出电容失配的大小，再减去失配引起的误差。但是该校准方法的校准时间长，并会随着有效位数的增加， 校准时间会以指数性延长。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种流水线模数转换器的级电路装置，能够改善流水 线模数转换器传输函数的线性度，减少流水线模数转换器的校准时间，增加模数转换的有 效位数。为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是提供一种流水线模数转换器的级电 路装置，其特征在于，包含串联的若干级电路模块，上述串联的若干级电路模块分别与上述 流水线模数转换器的后模数转换模块、数字错位相加模块连接； 上述每个级电路模块包含依次连接的级联模拟输入端口、级电路采样模块、减法器模块、增益放大模块；与上述级联模拟输入端口连接的模数转换模块通过数模转换模块也与上述减法 器模块连接；上述级电路模块还包含给定模拟输入端口、给定数字输入端口、第一到第四切换 开关。上述级联模拟输入端口串联第一切换开关，通过上述级电路采样模块与上述减法 器模块的正输入端连接；上述级联模拟输入端口、第一切换开关，还依次通过串联的模数转换模块、第三切 换开关、数模转换模块与上述减法器模块的负输入端连接；上述减法器模块将从上述级电路采样模块输入的模拟信号中减去上述数模转换 模块输出的粗量化模拟信号，并发送至上述增益放大模块；上述增益放大模块输出放大后的模拟信号余量至下一级的级电路模块；上述给定模拟输入端口串联第二切换开关，分别与上述级电路采样模块、模数转 换模块连接；上述给定数字输入端口通过第四切换开关与上述数模转换模块连接。 上述级电路模块还包含存储模块；上述模数转换模块还与上述存储模块连接，输出粗量化结果并控制上述存储模块 输出粗量化校准结果到上述流水线模数转换器的数字错位相加模块。本实用新型提供的一种流水线模数转换器的级电路装置，与现有技术相比，其优 点在于本实用新型由于对设置的若干级电路模块进行倒序校准，减少了校准的时间；本实用新型由于在每一级级电路模块都将粗量化校准结果输出到数字错位相加 模块，进行加权相加的是粗量化校准结果所对应的实际量化步长，所以在级电路模块传输 函数中，数模转换噪声导致的“跳跃”被消除了，改善了流水线模数转换器传输函数的线性 度，增加了模数转换的有效位数。
图1是现有技术流水线模数转换器的总体结构示意图；[0026]图2是现有技术流水线模数转换器的级电路模块的结构示意图；图3是现有技术流水线模数转换器的级电路模块的电路原理图；图4是现有技术流水线模数转换器的级电路模块的传输函数示意图；图5是现有技术流水线模数转换器的级电路模块的完整传输函数示意图；图6是本实用新型的流水线模数转换器的级电路模块的结构示意图；图7是本实用新型的级电路模块的传输函数示意图；图8是本实用新型的级电路模块的完整传输函数示意图；图9是本实用新型的流水线模数转换器的总体结构示意图；图10是本实用新型流水线模数转换器校准前的静态非线性误差示意图；图11是本实用新型流水线模数转换器校准后的静态非线性误差示意图；图12是本实用新型流水线模数转换器校准前的动态非线性误差示意图；图13是本实用新型流水线模数转换器校准后的动态非线性误差示意图。
具体实施方式
以下结合附图说明本实用新型的具体实施方式
。请参见图9所示，本实用新型提供的一种流水线模数转换器的级电路装置，设置 在流水线模数转换器中。该流水线模数转换器通过流水线模数转换器的采样保持模块对输 入模拟信号采样，由串联的级电路装置和后模数转换模块30进行模数转换的量化，各级的 量化结果通过数字错位相加模块40加权相加，并通过冗余处理模块50输出数字信号。该 流水线模数转换器的级电路装置包含若干级电路模块20。请参见图6所示，每个级电路模块20包含3个输入端口、4个切换开关swl到sw4、 级电路采样模块23、减法器模块24、增益放大模块25、模数转换模块21、数模转换模块22、 存储模块26。输入端口包含级联模拟输入端口 Vin和给定模拟输入端口 Forced Vin、给定数字输入端口 Forced Din。级联模拟输入端口 Vin与第一切换开关swl串联后，分别与级电路采样模块23、模 数转换模块21连接；给定模拟输入端口 Forced Vin与第二切换开关sw2串联后，也分别与 级电路采样模块23、模数转换模块21连接。在正常工作状态下，第一切换开关swl闭合、第 二切换开关sw2断开，将上一级级电路模块20输出的模拟原始信号通过级联模拟输入端口 Vin传输给级电路采样模块23、模数转换模块21。在校准状态下，第二切换开关sw2闭合、 第一切换开关swl断开将模拟给定信号通过给定模拟输入端口 Forced Vin传输给级电路采 样模块23、模数转换模块21。模数转换模块21是快闪式(Flash)模数转换器。模数转换模块21将从输入端口 输入的上级模拟原始信号或模拟给定信号转换成本级的粗量化结果D。ut，并发送到存储模 块26 ；模数转换模块21也可以通过串联的第三切换开关sw3控制，将转换后的粗量化结果 Dout发送给数模转换模块22。存储模块26通过粗量化结果D-控制，将存储阵列中本级的粗量化校准结果 ROM(Dout)在正常工作状态下输出给流水线模数转换器的数字错位相加模块，或是输出给数 模转换模块22在校准时使用。[0045]给定数字输入端口 Forced Din通过串联的第四切换开关sw4与数模转换模块22 连接。由第三切换开关sw3、第四切换开关sw4控制，选择向数模转换模块22输入模数转换 后的本级粗量化结果D。ut，或是通过给定数字输入端口 Forced Din输入数字给定信号。数模 转换模块22将转换后的粗量化模拟信号发送到减法器模块24的负输入端口。级电路采样模块23的输入端与级联模拟输入端口 Vin、给定模拟输入端口 Forced Vin连接，受第一切换开关swl、第二切换开关sw2控制对输入的上一级的模拟原始信号或模 拟给定信号进行采样，并发送到减法器模块24的正输入端。减法器模块24将从级电路采样模块23输出的信号减去数模转换模块22输出的 粗量化模拟信号，并通过增益放大模块25放大后，得到模拟信号余量V。ut发送至下一级级 电路模块20。在对本实用新型提供的一种流水线模数转换器的级电路装置进行校准时，由于没 有开关电容电路，后模数转换模块30不需要校准电容失配，从第N级级电路开始倒序校准。将第二切换开关sw2、第四切换开关sw4闭合、第一切换开关swl、第三切换开关 sw3断开，使级电路模块20工作在校准状态；如下表1所示，间隔改变输入到第j级级电路模块20的模拟给定信号、数字给定 信号。(以 下j从N到1递减)为第j级级电路模块20的给定模拟输入端口 Forced Vin输 入的模拟给定信号是判决电平Vkefi到Vkefn、为其给定数字输入端口 Forced Din输入的数字 给定信号是给定量化结果1到N+1。 表1级电路模块的给定输入信号与输出量化结果的对照表；首先，对第j级级电路模块20输入判决电平、给定量化结果，使ForcedVin = VKEF(i)、Forced Din = i (其中i从1到N递增)；其中给定数字输入端口 ForcedDin输入的数字给定信号经过数模转换模块22转换得到粗量化模拟信号，并发送到减法器模块24的负输入端； 第j级级电路模块20的给定模拟输入端口 Forced Vin输入的模拟给定信号经过级电路采 样模块23发送到减法器模块24的正输入端；上述模拟给定信号减去粗量化模拟信号，经过 增益放大后，输出模拟信号余量V。ut(j)。第j级级电路模块20输出的模拟信号余量V。ut(j)，依次由第j+Ι级到第N级级电 路模块20进行粗量化，对于其中每一级级电路模块20，其给定模拟输入端口 Forced Vin输 入上一级的模拟信号余量，经过模数转换得到粗量化结果D。ut ；由该粗量化结果D。ut控制输 出存储阵列中第j+Ι级级电路模块20的粗量化校准结果R0M(D。ut) (J+1)0如下表2所示，如果级电路模块20的粗量化结果D。ut = 1，则从存储模块26读取 ROM(I) = 0作为粗量化校准结果；如果粗量化结果D。ut = 2，则读取ROM⑵=Vstep eeali作 为粗量化校准结果；依次类推，如果该级的D。ut = N+1，则读取R0M(N+1) = VSTEP_EEAL1+VSTEP_ REAL2 VSTEP_EEALN作为粗量化校准结果输出。 表2级电路模块的粗量化结果与粗量化校准结果的对照表；由于已经对第j级级电路模块20之后的级电路模块20(即从第j+Ι级级电路模 块20到第N级级电路模块20)进行过校准，所以假设该级之后的级电路模块20都是理想 的模数转换器，因此在这里取粗量化校准结果ROM(D。ut)输入到给定数字输入端口 Forced Din，来保证第j级级电路模块20的校准效果。将粗量化校准结果ROM(Dwt)通过给定数字输入端口 Forced Din发送至数模转 换模块22得到粗量化模拟信号，并发送到减法器模块24的负输入端；给定模拟输入端口 Forced Vin输入的上一级的模拟信号余量V。ut(j)经过级电路采样模块23发送到减法器模 块24的正输入端；上一级模拟信号余量减去粗量化模拟信号，经过增益放大后，输出模拟
信号余量V。ut(j+1)。之后将第j+Ι级到第N级级电路模块20输出的模拟信号余量V。ut，经过后模数转 换模块30进行模数转换得到一组第一量化结果DLSTEP(i)A。以此类推，改变第j级级电路模块20的给定输入信号，对第j级级电路模块20的 给定模拟输入端口 Forced Vin输入判决电平、为给定数字输入端口 Forced Din输入给定量化结果，使Forced Vin = VEEF(i) ,Forced Din = i+1 (其中i从1到N递增)；同样经过第j级 级电路模块输出模拟信号余量V。ut(j)，再依次通过第j+Ι级到第N级级电路模块20、后模数 转换模块30进行模数转换，得到一组第二量化结果DLSTEP(i)B。最后，将相对应的第一量化结果DLstepwa和第二量化结果DLstepwb相减得到关于第 J级级电路模块20的一组实际量化步长VSTEP—KEAUi)，即VSTEP—ΚΕΛω = DLstep ⑴ A_D Lstep ⑴ β， 并将 其保存在存储模块26中，供校准前级的级电路模块20和正常工作时使用。按照上述对流水线模数转换器的级电路模块的校准流程，从第N级级电路模块到 第1级级电路模块，依次进行校准。由于流水线模数转换器中存在的非理想因素，会影响后模数转换模块30和该级 之后的级电路模块20作为理想模数转换器的假设，所以每一级级电路模块20输出的粗量 化校准结果保留了若干位冗余位以保证校准效果。流水线模数转换器的数字错位相加模块40将每一级级电路模块20输出的粗量化 校准结果R0M(D。ut)和后模数转换模块30输出的量化结果DL进行错位相加，并在省略了冗 余位之后，输出流水线模数转换器最终的模数转换结果。请配合参见图6、图7和图8所示，在流水线模数转换器处于正常工作状态，即第一 切换开关swl、第三切换开关sw3闭合、第二切换开关sw2、第四切换开关sw4断开时，模拟 原始信号依次通过各级级电路模块20和后模数转换模块30进行模数转换；由于每一级级 电路模块20都将粗量化校准结果R0M(D。ut)而不是粗量化结果D。ut输出到数字错位相加模 块30，所以进行加权相加的是粗量化校准结果ROM (Dout)所对应的实际量化步长Vstep Kg，而 不是粗量化结果D。ut所对应的理想量化步长Vstep ID·，所以在级电路模块20传输函数中，数 模转换噪声导致的“跳跃”被消除了，流水线模数转换器的完整传输函数的线性度不会受到 影响。请参见图9所示，以下以一个16位输出的流水线模数转换器为例，通过软件 MATLAB仿真，说明本实用新型对于流水线模数转换器中电容失配的校准效果。设定流水线模数转换器有6个级电路模块20，其中前三个级电路模块20每个为 17级量化结果，增益是8，输出5位数字值；后三个级电路模块20每个为9级量化结果，增 益是4，输出4位数字值；后模数转换模块30是33级量化结果，输出6位数字值。各个级 电路的输出位数经过错位相加后得到20位数字值，校准时和正常工作都是使用20位，但最 终输出16位数字值，省略最后4位冗余位。仿真中，除了电容失配，其他一些非理想因素诸 如比较器失调、运放有限增益都考虑进去，并且同时输出流水线模数转换器未校准和校准 后的结果作为对比。请配合参见图10到图13所示，分别是流水线模数转换器未校准和校准后的静态 非线性误差和动态非线性误差，总结于下表3中。其中图10和图11是流水线模数转换器 的静态非线性误差，校准之前最大DNL (差分非线性)和最大INL (积分非线性)是3. 20LSB 和2921LSB，存在着失码和非单调性；校准之后最大DNL (差分非线性)和最大INL (积分非 线性)降为0. 14LSB和0. 31LSB,消除失码并保证单调性。图12和图13是流水线模数转换器的动态非线性误差，是一个单频率正弦波经过校准前流水线模数转换器和校准后流水线模数转换器量化后输出的频谱分析，图中1st表 示基波信号，2nd、3rcl···表示高阶谐波失真。SFDR(信号与最大谐波失真之比)在校准之前是55. 24dB，校准之后变为115. 5dB，提高了约60dB ；SINAD(信号与谐波失真及噪声之比) 所表征的ENOB (有效位数)从8. 3位恢复到理想流水线模数转换器的16位。静态和动态 性能上的大幅提高足以证明本实用新型的校准方法对于电容失配的有效性。 表3是本发明的流水线模数转换器的校准前后误差比较表；流水线模数转换器校准所需的时间点数是(16+16+16+8+8+8) Χ2 = 144 2~7，另 外在每个点平均取2~ 10次以消除热噪声的影响，总体还是只需要约2~ 17个周期，远低于现 有校准方法需要的2~27个周期。而且随着有效位数的增加，本实用新型的校准时间只是线 性增长，远低于现有校准方法的指数性增长。尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上 述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于 本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附 的权利要求来限定。
权利要求一种流水线模数转换器的级电路装置，其特征在于，包含串联的若干级电路模块(20)，所述串联的若干级电路模块(20)分别与所述流水线模数转换器的后模数转换模块(30)、数字错位相加模块(40)连接；所述每个级电路模块(20)包含依次连接的级联模拟输入端口、级电路采样模块(23)、减法器模块(24)、增益放大模块(25)；与所述级联模拟输入端口连接的模数转换模块(21)通过数模转换模块(22)也与所述减法器模块连接；所述级电路模块(20)还包含给定模拟输入端口、给定数字输入端口、第一到第四切换开关。
2.如权利要求1所述的一种流水线模数转换器的级电路装置，其特征在于，所述级联模拟输入端口串联第一切换开关，通过所述级电路采样模块(23)与所述减 法器模块(24)的正输入端连接；所述级联模拟输入端口、第一切换开关，还依次通过串联的模数转换模块(21)、第三切 换开关、数模转换模块(22)与所述减法器模块(24)的负输入端连接；所述减法器模块(24)将从所述级电路采样模块(23)输入的模拟信号中减去所述数模 转换模块(22)输出的粗量化模拟信号，并发送至所述增益放大模块(25)；所述增益放大模块(25)输出放大后的模拟信号余量至下一级的级电路模块(20)；所述给定模拟输入端口串联第二切换开关，分别与所述级电路采样模块(23)、模数转 换模块(21)连接；所述给定数字输入端口通过第四切换开关与所述数模转换模块(22)连接。
3.如权利要求2所述的一种流水线模数转换器的级电路装置，其特征在于，所述级电 路模块(20)还包含存储模块(26)；所述模数转换模块(21)还与所述存储模块(26)连接，输出粗量化结果并控制所述存 储模块(26)输出粗量化校准结果到所述流水线模数转换器的数字错位相加模块(40)。
专利摘要本实用新型涉及一种流水线模数转换器的级电路装置，其特征在于，包含串联的若干级电路模块，所述串联的若干级电路模块分别与所述流水线模数转换器的后模数转换模块、数字错位相加模块连接；所述每个级电路模块包含依次连接的级联模拟输入端口、级电路采样模块、减法器模块、增益放大模块；与所述级联模拟输入端口连接的模数转换模块通过数模转换模块也与所述减法器模块连接；所述级电路模块还包含给定模拟输入端口、给定数字输入端口、第一到第四切换开关。本实用新型对粗量化校准结果相加，改善了流水线模数转换器传输函数的线性度，增加了模数转换的有效位数。
文档编号H03M1/12GK201590812SQ201020033048
公开日2010年9月22日 申请日期2010年1月14日 优先权日2010年1月14日
发明者倪文海, 王睿 申请人:上海迦美信芯通讯技术有限公司