一种流水线模数转换器及其误差校准方法
【专利摘要】本发明公开了一种应用于流水线模数转换器的前台数字校准方法，在经典流水线模数转换器结构的基础上，在需要校准误差的级添加级校准添加电路。在校准工作期间，通过对需要校准误差级的级校准添加电路和采样电容给定4种特定输入，进而通过前台数字校准计算及校准电路提取出校准级电容失配误差、运放失调误差及子数模转换器参考电压误差。在正常工作期间，前台数字校准计算及校准电路工作。该前台数字校准算法结构简单、添加极少的额外元件、时序控制简单、寄存器个数少，同时大大减小了数字电路设计的难度与周期。该前台数字校准算法对流水线模数转换器的静态特性校准效果明显，对动态特性有一定的校准效果。
【专利说明】-种流水线模数转换器及其误差校准方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于红外焦平面阵列读出电路的模数转换器，尤其是涉及一种流水线 模数转换器及其误差校准方法。
[0002]
【背景技术】
[0003] 读出电路（ROIC)是非致冷红外焦平面阵列（IRFPA)的关键部件之一，它的主要功 能是对红外探测器感应的微弱信号进行预处理巧日积分、放大、滤波、采样/保持等）和阵列 信号的并/串行转换。视探测器所用材料和工作方式的不同，读出电路结构随之变化，W在 满足峽频的要求下获得最大的信噪比（SNR)。
[0004] ROIC属于数模混合集成技术。像元电路部分属于模拟电路，它对MOS管沟道宽长 比有特殊的要求，需要有比数字电路更加精确的设计。另外，为了增大积分电容的面积，复 杂的电路设计在ROIC中也是不容许的。先进的ROIC为了减小读出噪声和提高巾贞刷新频率， 将滤波电路、模数转换等功能器件集成在一块芯片内，该是今后ROIC发展的趋势。
[0005] 模数转换器集成到焦平面阵列中，不但可W简化阵列与系统的接口设计，也可将 易受电磁干扰的模拟输出信号转为抗干扰能力强的数字信号，提高系统的整体性能。
[0006] 经典的无校准的流水线模数转换器中，由于制造工艺的原因，电容失配误差是不 可避免的，其在一定程度上限制了分辨率与采样速率的有效折中，尤其是在大阵列、高峽频 的非致冷红外焦平面阵列的读出技术中，存在更高分辨率及更高采样速率的限制。因此，存 在校准非致冷红外焦平面阵列中的流水线模数转换器的误差的需求。
[0007]
【发明内容】
[0008] 本发明的目的之一是提供一种能够有效校准电容失配误差、运放失调误差及子数 模转换器参考电压误差引起的静态特性下降的问题的流水线模数转换器及其误差校准方 法。
[0009] 本发明公开的技术方案包括： 提供了一种流水线模数转换器，其特征在于：包括至少两级模数转换器和前台数字校 准计算及校准电路30,其中；至少第1级模数转换器10包括校准电路102和MDAC电路100， 所述校准电路102包括校准电容Q，所述校准电容Q -端连接到所述MDAC电路100,另一 端分别通过开关元件连接到第一参考电压+Vuf、第二参考电压-Vuf和接地端；所述前台数 字校准计算及校准电路30连接到所述至少两级模数转换器；其中包括所述校准电路102的 所述至少第1级模数转换器10通过所述校准电路20和所述MDAC电路100产生包含误差 的模拟残差信号，并且所述至少两级模数转换器将所述模拟残差信号转换为数字码；所述 前台数字校准计算及校准电路30接收所述数字码、根据所述数字码获得所述流水线模数 转换器的误差校准码、并且当所述流水线模数转换器正常工作时用所述误差校准码校准所 述流水线模数转换器转换输出的数据。
[0010] 本发明的一个实施例中，所述MDAC电路100包括运算放大器、采样电容Cs和反馈 电容Cf，所述采样电容Cs的一端分别通过开关元件连接到所述流水线模数转换器的信号输 入端Vi。、第一参考电压+Vuf、第二参考电压-Vuf和接地端，另一端连接到所述运算放大器 的反相输入端并通过开关元件接地，所述校准电容Q的所述一端连接到所述运算放大器的 反相输入端。
[0011] 本发明的一个实施例中，所述反馈电容Cf的一端连接到所述运算放大器的反相输 入端，另一端分别通过开关元件连接到所述流水线模数转换器的信号输入端Vh和所述运 算放大器的输出端V"ut。
[0012] 本发明的一个实施例中，所述校准电容Q的电容值为所述采样电容Cs或者所述反 馈电容Cf的电容值的一半。
[0013] 本发明的实施例中还提供了一种使用前述的流水线模数转换器校准误差的方法， 其特征在于，包括；将所述至少第1级模数转换器10切换至采样相；将所述至少第1级模 数转换器10从所述采样相切换到第一保持相，产生第一模拟残差信号，并通过所述至少两 级模数转换器转换所述第一模拟残差信号获得第一数字码；将所述至少第1级模数转换器 10从所述采样相切换到第二保持相，产生第二模拟残差信号，并通过所述至少两级模数转 换器转换所述第二模拟残差信号获得第二数字码；将所述至少第1级模数转换器10从所述 采样相切换到第H保持相，产生第H模拟残差信号，并通过所述至少两级模数转换器转换 所述第H模拟残差信号获得第H数字码；将所述至少第1级模数转换器10从所述采样相切 换到第四保持相，产生第四模拟残差信号，并通过所述至少两级模数转换器转换所述第四 模拟残差信号获得第四数字码；根据所述第一数字码、第二数字码、第H数字码和第二数字 码获得所述流水线模数转换器的误差校准码；当所述流水线模数转换器正常工作时，用所 述误差校准码校准所述流水线模数转换器转换输出的数据。
[0014] 本发明的一个实施例中，所述采样相为；所述校准电容Q、所述采样电容Cs和所述 反馈电容Cf并联，并且一端接地，另一端连接到所述运算放大器的反相输入端。
[0015] 本发明的一个实施例中，所述第一保持相为；所述校准电容Q-端连接到所述第 二参考电压-Vuf,另一端连接到所述运算放大器的反相输入端，所述采样电容Cs的一端连 接到所述第一参考电压+Vuf,另一端连接到所述运算放大器的反相输入端，并且所述反馈 电容Cf的一端连接到所述运算放大器的反相输入端，另一端连接到所述运算放大器的输出 玉山 乂而。
[0016] 本发明的一个实施例中，所述第二保持相为；所述校准电容Q-端连接到所述第 一参考电压+Vuf,另一端连接到所述运算放大器的反相输入端，所述采样电容Cs的一端连 接到所述第二参考电压-Vuf,另一端连接到所述运算放大器的反相输入端，并且所述反馈 电容Cf的一端连接到所述运算放大器的反相输入端，另一端连接到所述运算放大器的输出 玉山 乂而。
[0017] 本发明的一个实施例中，所述第H保持相为；所述校准电容Q-端连接到所述第 一参考电压+Vuf,另一端连接到所述运算放大器的反相输入端，所述采样电容Cs的一端连 接到所述接地端，另一端连接到所述运算放大器的反相输入端，并且所述反馈电容Cf的一 端连接到所述运算放大器的反相输入端，另一端连接到所述运算放大器的输出端。
[0018] 本发明的一个实施例中，所述第四保持相为；所述校准电容Q-端连接到所述第 二参考电压-Vuf,另一端连接到所述运算放大器的反相输入端，所述采样电容Cs的一端连 接到所述接地端，另一端连接到所述运算放大器的反相输入端，并且所述反馈电容Cf的一 端连接到所述运算放大器的反相输入端，另一端连接到所述运算放大器的输出端。
[0019] 本发明的实施例中，能够校准部分电容误差、全部运放失调电压误差、部分子数模 转换器参考电压误差，需要的添加的额外元件少，数字域只需要进行加减的运算，大大简化 了电路的设计。经过仿真验证，本发明的针对流水线模数转换器的误差的校准方法能够有 效的校准因误差造成的静态特性下降的问题。
[0020]
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1是本发明一个实施例的流水线模数转换器的结构框图示意图。
[0022] 图2是本发明一个实施例的第1级模数转换器的结构示意图。
[0023] 图3是本发明一个实施例的处于采样相状态中的第1级模数转换器的示意图。
[0024] 图4是本发明一个实施例的处于第一保持相状态中的第1级模数转换器的示意 图。
[0025] 图5是本发明一个实施例的处于第二保持相状态中的第1级模数转换器的示意 图。
[0026] 图6是本发明一个实施例的处于第H保持相状态中的第1级模数转换器的示意 图。
[0027] 图7是本发明一个实施例的处于第四保持相状态中的第1级模数转换器的示意 图。
[002引图8是本发明一个实施例的校准码的示意图。
[0029] 图9是本发明一个实施例的模数转换器存在正的采样电容失配及正的运放失调 电压的情况下传输曲线校准前效果示意图。
[0030] 图10是本发明一个实施例的模数转换器存在正的采样电容失配及正的运放失调 电压的情况下传输曲线校准后效果示意图。
[0031] 图11是本发明一个实施例Hbit流水线模数转换器的存在较大的采样电容失配 的情况下校准前的静态特性图。
[0032] 图12是本发明一个实施例Hbit流水线模数转换器的存在较大的采样电容失配 的情况下校准后的静态特性图。
[0033]
【具体实施方式】
[0034] 下面将结合附图详细说明本发明的实施例的流水线模数转换器的具体结构及其 误差校准方法的具体步骤。
[00巧]如图1所示，本发明的一个实施例中，一种流水线模数转换器包括至少两级模数 转换器(例如，图1中的10、12、14、16等等）和前台数字校准计算及校准电路30。
[0036] 本发明的实施例中，设有校准电路，该校准电路可W设置在该至少两级模数转换 器中的前一个或者几个级模数转换器中。
[0037] 例如，如图1和图2所示，至少第1级模数转换器10包括校准电路102和MDAC (Multiplying Digital to Analog Converter,乘法型数模转换器)电路 100。校准电路 102 包括校准电容Ce,该校准电容Ce -端连接到MDAC电路100,另一端分别通过开关元件连接 到第一参考电压+Vuf、第二参考电压-Vuf和接地端。
[0038] 前台数字校准计算及校准电路30连接到前述的至少两级模数转换器。
[0039] 本发明的实施例中，包括了前述的校准电路（102)的前述至少第1级模数转换器 10通过校准电路（20)和MDAC电路（100)产生包含误差的模拟残差信号（下文中详述)，并 且前述的至少两级模数转换器将该些模拟残差信号转换为数字码，该些数字码含了该流水 线模数转换器中的误差。
[0040] 因此，本发明的实施例中，前台数字校准计算及校准电路30可W接收该些数字 码，并根据该些数字码获得流水线模数转换器的误差校准码。前台数字校准计算及校准电 路30可W存储该些误差校准码，并且当流水线模数转换器正常工作时，读取该些误差校准 码并用该些误差校准码校准流水线模数转换器转换输出的数据。
[0041] 本发明的实施例中，流水线模数转换器还可W包括兀余位数字校正电路20,该兀 余位数字校正电路位于该至少两级模数转换器与前台数字校准计算及校准电路30之间。 目P，该至少两级模数转换器产生数字码可W经过兀余位数字校正电路20的校正之后输入 到前台数字校准计算及校准电路30中。
[004引如图2所示，本发明的一个实施例中，MDAC电路100包括运算放大器、采样电容Cs 和反馈电容CfD
[0043] 采样电容Cs的一端分别通过开关元件连接到流水线模数转换器的信号输入端 Vi。、第一参考电压+Vuf、第二参考电压-Vuf和接地端，另一端连接到运算放大器的反相输入 端并通过开关元件接地。校准电路102中的校准电容Q的一端（即与MDAC电路100连接 的那一端）连接到运算放大器的反相输入端。
[0044] 反馈电容Cf的一端连接到运算放大器的反相输入端，另一端分别通过开关元件连 接到流水线模数转换器的信号输入端Vh和运算放大器的输出端V?ut。
[0045] 本发明的前述实施例中，校准电容Q的电容值可W是采样电容Cs或者反馈电容Cf 的电容值的一半。
[0046] 本发明的一个实施例中，使用前述的流水线模数转换器校准电容失配误差的方法 可W包括下列步骤。
[0047] 首先，可W通过切换开关元件（即通过控制第1级模数转换器10中的各个开关元 件的断开和闭合）将前述的至少第1级模数转换器10切换至采样相，即，使校准电容Q、采 样电容Cs和反馈电容Cf并联，并且一端接地，另一端连接到运算放大器的反相输入端，如图 3所示。该个状态称之为"采样相"。
[004引目P，本发明的实施例中，采样相为；校准电容Q、采样电容Cs和反馈电容Cf并联，并 且一端接地，另一端连接到运算放大器的反相输入端。
[0049] 然后，通过切换开关元件（即通过控制该至少第1级模数转换器10中的各个开关 元件的断开和闭合)，可W使该至少第1级模数转换器10从采样相切换到第一保持相，即， 使校准电容Q -端连接到第二参考电压-Vuf,另一端连接到运算放大器的反相输入端，使 采样电容Cs的一端连接到第一参考电压+Vuf，另一端连接到运算放大器的反相输入端，并 且反馈电容Cf的一端连接到运算放大器的反相输入端，另一端连接到运算放大器的输出 端，如图4所示。该个状态称之为"第一保持相"。此时，该至少第1级模数转换器10产生 第一模拟残差信号，该第一模拟残差信号通过前述的至少两级模数转换器的转换输出第一 数字码Dpi。该第一数字码Dpi中包含了流水线模数转换器的误差。
[0050] 类似地，可W通过切换开关元件（即通过控制该至少第1级模数转换器10中的各 个开关元件的断开和闭合)使该至少第1级模数转换器10从采样相切换到第二保持相，即， 使校准电容Q -端连接到第一参考电压+Vuf,另一端连接到运算放大器的反相输入端，使 采样电容Cs的一端连接到第二参考电压-Vuf,另一端连接到运算放大器的反相输入端，并 且反馈电容Cf的一端连接到运算放大器的反相输入端，另一端连接到运算放大器的输出 端，如图5所示。该个状态称之为"第二保持相"。此时，该至少第1级模数转换器10产生 第二模拟残差信号，该第二模拟残差信号通过前述的至少两级模数转换器的转换输出第二 数字码Dp2。该第二数字码Dp2中包含了流水线模数转换器的误差。
[0051] 类似地，可W通过切换开关元件（即通过控制该至少第1级模数转换器10中的各 个开关元件的断开和闭合)使该至少第1级模数转换器10从采样相切换到第H保持相，即， 使校准电容Q -端连接到第一参考电压+Vuf,另一端连接到运算放大器的反相输入端，使 采样电容Cs的一端连接到接地端，另一端连接到运算放大器的反相输入端，并且使反馈电 容Cf的一端连接到运算放大器的反相输入端，另一端连接到运算放大器的输出端，如图6 所示。该个状态称之为"第H保持相"。此时，该至少第1级模数转换器10产生第H模拟残 差信号，该第H模拟残差信号通过前述的至少两级模数转换器的转换输出第H数字码Dp3。 该第H数字码Dp3中包含了流水线模数转换器的误差。
[0052] 类似地，可W通过切换开关元件（即通过控制该至少第1级模数转换器10中的各 个开关元件的断开和闭合)使该至少第1级模数转换器10从采样相切换到第四保持相，即， 使校准电容Q -端连接到第二参考电压-Vuf,另一端连接到运算放大器的反相输入端，使 采样电容Cs的一端连接到接地端，另一端连接到运算放大器的反相输入端，并且使反馈电 容Cf的一端连接到运算放大器的反相输入端，另一端连接到运算放大器的输出端，如图7 所示。该个状态称之为"第四保持相"。此时，该至少第1级模数转换器10产生第四模拟残 差信号，该第四模拟残差信号通过前述的至少两级模数转换器的转换输出第四数字码Dp4。 该第四数字码Dp4中包含了流水线模数转换器的误差。
[0053] 然后，前台数字校准计算及校准电路30接收该第一数字码Dpi、第二数字码Dp2、第 H数字码Dp3和第四数字码Dp4,并根据该些数字码获得流水线模数转换器的误差校准码。
[0054] 当流水线模数转换器正常工作时，前台数字校准计算及校准电路30即可W用该 误差校准码校准流水线模数转换器转换输出的数据。
[0055] 下面简要说明本发明实施例中的流水线模数转换器及前述的方法的原理。
[0056] 对于流水线模数转换器而言，其单级MDAC结构总的确定性误差包括；采样电容与 反馈电容失配误差、运放失调误差、参考电压误差、运放有限开环增益及有限单位增益带宽 造成的误差等等。本本发明的实施例汇总，对于1.化it的MDAC结构可W校准的误差为部 分电容误差、全部运放失调误差及部分子数模转换器参考电压误差，见式（1)。
[0057] 式（1)中口在不同的输入的时候分别为-1、0、+1，所W其在1.化it的MDAC结构中 对应的校准码分为仿沁仇?、仿沁^、仿沁2^?，如图8所示。
[0058] 本发明的实施例中，如前文所示，在4个特定的校准误差提取周期中提取了四个 模拟残差信号，该四个模拟残差信号经过后级无校准电路的模数转换器得到包含采样电 容误差、校准电容误差、运放失调误差、子数模转换器参考电压误差的四个数字码（Dpi、Dp2、 Dp3、Dp4)，分别存在到前台数字校准计算及校准电路30中的寄存器中，并且在其中进行运 算，该数字运算可W只包含数字域上的加减法，所需要的硬件较少。一个实施例中，1.5bit 校准码仿沁仇?、仿t/eW、仿沁2(9分别计算如下：
【权利要求】
1. 一种流水线模数转换器，其特征在于：包括至少两级模数转换器和前台数字校准计 算及校准电路（30)，其中： 至少第1级模数转换器（10)包括校准电路（102)和MDAC电路（100)，所述校准电路 (102 )包括校准电容（C。)，所述校准电容（C。）一端连接到所述MDAC电路（100 )，另一端分别 通过开关元件连接到第一参考电压（+VMf)、第二参考电压（_VMf)和接地端； 所述前台数字校准计算及校准电路（30)连接到所述至少两级模数转换器； 其中包括所述校准电路（102)的所述至少第1级模数转换器（10)通过所述校准电路 (20)和所述MDAC电路（100)产生包含误差的模拟残差信号，并且所述至少两级模数转换器 将所述模拟残差信号转换为数字码； 所述前台数字校准计算及校准电路（30 )接收所述数字码、根据所述数字码获得所述流 水线模数转换器的误差校准码、并且当所述流水线模数转换器正常工作时用所述误差校准 码校准所述流水线模数转换器转换输出的数据。
2. 如权利要求1所述的流水线模数转换器，其特征在于：所述MDAC电路（100)包括 运算放大器、采样电容（Cs)和反馈电容（Cf)，所述采样电容（Cs)的一端分别通过开关元 件连接到所述流水线模数转换器的信号输入端（Vin)、第一参考电压（+VMf)、第二参考电压 (_VMf)和接地端，另一端连接到所述运算放大器的反相输入端并通过开关元件接地，所述 校准电容（C。）的所述一端连接到所述运算放大器的反相输入端。
3. 如权利要求1或者2所述的流水线模数转换器，其特征在于：所述反馈电容（Cf)的 一端连接到所述运算放大器的反相输入端，另一端分别通过开关元件连接到所述流水线模 数转换器的信号输入端（Vin)和所述运算放大器的输出端（V^)。
4. 如权利要求2所述的流水线模数转换器，其特征在于：所述校准电容（C。）的电容值 为所述采样电容（Cs)或者所述反馈电容（Cf)的电容值的一半。
5. -种使用如权利要求1至4中任意一项所述的流水线模数转换器校准误差的方法， 其特征在于，包括： 将所述至少第1级模数转换器（10)切换至采样相； 将所述至少第1级模数转换器（10)从所述采样相切换到第一保持相，产生第一模拟残 差信号，并通过所述至少两级模数转换器转换所述第一模拟残差信号获得第一数字码； 将所述至少第1级模数转换器（10)从所述采样相切换到第二保持相，产生第二模拟残 差信号，并通过所述至少两级模数转换器转换所述第二模拟残差信号获得第二数字码； 将所述至少第1级模数转换器（10)从所述采样相切换到第三保持相，产生第三模拟残 差信号，并通过所述至少两级模数转换器转换所述第三模拟残差信号获得第三数字码； 将所述至少第1级模数转换器（10)从所述采样相切换到第四保持相，产生第四模拟残 差信号，并通过所述至少两级模数转换器转换所述第四模拟残差信号获得第四数字码； 根据所述第一数字码、第二数字码、第三数字码和第二数字码获得所述流水线模数转 换器的误差校准码； 当所述流水线模数转换器正常工作时，用所述误差校准码校准所述流水线模数转换器 转换输出的数据。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述采样相为：所述校准电容（C。)、所述采 样电容（Cs)和所述反馈电容（Cf)并联，并且一端接地，另一端连接到所述运算放大器的反 相输入端。
7. 如权利要求5或者6所述的方法，其特征在于，所述第一保持相为：所述校准电容 (Cc) 一端连接到所述第二参考电压（_VMf)，另一端连接到所述运算放大器的反相输入端， 所述采样电容（Cs)的一端连接到所述第一参考电压（+VMf)，另一端连接到所述运算放大器 的反相输入端，并且所述反馈电容（Cf)的一端连接到所述运算放大器的反相输入端，另一 端连接到所述运算放大器的输出端。
8. 如权利要求5至7中任意一项所述的方法，其特征在于，所述第二保持相为：所述 校准电容（C。）一端连接到所述第一参考电压（+VMf)，另一端连接到所述运算放大器的反相 输入端，所述采样电容（Cs)的一端连接到所述第二参考电压（_VMf)，另一端连接到所述运 算放大器的反相输入端，并且所述反馈电容（Cf)的一端连接到所述运算放大器的反相输入 端，另一端连接到所述运算放大器的输出端。
9. 如权利要求5至8中任意一项所述的方法，其特征在于，所述第三保持相为：所述校 准电容（C。）一端连接到所述第一参考电压（+VMf)，另一端连接到所述运算放大器的反相输 入端，所述采样电容（Cs)的一端连接到所述接地端，另一端连接到所述运算放大器的反相 输入端，并且所述反馈电容（Cf)的一端连接到所述运算放大器的反相输入端，另一端连接 到所述运算放大器的输出端。
10. 如权利要求5至9中任意一项所述的方法，其特征在于，所述第四保持相为：所述 校准电容（C。）一端连接到所述第二参考电压（_VMf)，另一端连接到所述运算放大器的反相 输入端，所述采样电容（Cs)的一端连接到所述接地端，另一端连接到所述运算放大器的反 相输入端，并且所述反馈电容（Cf)的一端连接到所述运算放大器的反相输入端，另一端连 接到所述运算放大器的输出端。
【文档编号】H03M1/12GK104363020SQ201410474801
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年9月18日 优先权日:2014年9月18日
【发明者】吕坚, 魏林海, 阙隆成, 孙凤佩, 周云 申请人:电子科技大学