一种使用开环增益级的流水线逐次逼近式模数转换器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种使用开环增益级的流水线逐次逼近式模数转换器，其信号通路由第一级逐次逼近式模数转换器电路、用于对第一级逐次逼近式模数转换器电路输出的余量电压进行放大的电压增益级、对电压增益级进行增益校准的可调增益级、第二级逐次逼近式模数转换器电路依次连接而成，其还包括用于对信号通路的各种模拟失配进行校准的伪随机数发生器和数字校准电路，电压增益级采用开环增益级。本发明能够获得较高的信噪比、提高信号转换速度和分辨率并降低系统功耗，增加了系统的鲁棒性。
【专利说明】
一种使用开环増益级的流水线逐次逼近式模数转换器
技术领域
[0001]本发明属于模数转换器领域，具体涉及一种使用开环增益级的流水线逐次逼近式模数转换器。【背景技术】
[0002]无线通信产业和大规模数字集成电路技术在过去十几年有了飞速的发展，模数转换器(ADC)—一作为模拟世界和数字世界的桥梁，其性能也获得了质的飞跃。但作为常用的流水线式模数转换器(Pipeline ADC)和逐次逼近式模数转换器(SAR ADC)，仍饱受其系统结构的限制，具备不同的短板。传统的Pipeline ADC利用多次串行操作进行数据处理，这常常需要多个大功耗的高精度运算放大器，不利于低成本和小型化设计;传统的SAR ADC在每个转换周期都要进行至少N(N为模数转换器的分辨率)次查找，其系统结构阻碍了SAR ADC 向更高速的领域迈进。
[0003]为了破除流水线式和逐次逼近式模数转换器的系统结构限制，流水线逐次逼近式 (pipelined-SAR)模数转换器(ADC)被提了出来，其融合前两者结构中的优势，该结构具有较高的速度和分辨率。但现有的流水线逐次逼近式模数转换器需要对第一级逐次逼近模数转换器的余量电压进行精确放大，并且对第一和第二级逐次逼近模数转换器中的电容匹配要求非常严苛，这都导致了更大的功耗和面积。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种可以进一步降低能耗和提高速度和分辨率、对工艺波动的鲁棒性更强的流水线逐次逼近式模数转换器。
[0005]为达到上述目的，本发明采用的技术方案是:一种使用开环增益级的流水线逐次逼近式模数转换器，其信号通路由第一级逐次逼近式模数转换器电路、用于对所述第一级逐次逼近式模数转换器电路输出的余量电压进行放大的电压增益级、对所述电压增益级进行增益校准的可调增益级、第二级逐次逼近式模数转换器电路依次连接而成，其还包括用于对所述信号通路的各种模拟失配进行校准的伪随机数发生器和数字校准电路，所述电压增益级采用开环增益级。
[0006]所述可调增益级根据所述数字校准电路的输出而对所述电压增益级进行增益校准。
[0007]所述电压增益级包括一个无任何负反馈回路的开环运放。
[0008]所述数字校准电路用于计算包含所述电压增益级和所述可调增益级的总增益;所述可调增益级根据所述数字校准电路的输出而对所述电压增益级和所述可调增益级的总增益进彳丁调整。
[0009]所述数字校准电路还用于计算所述第一级逐次逼近式模数转换器电路相对于所述第二级逐次逼近式模数转换器电路的直流失调，并输出校准结果信号至所述第一级逐次逼近式模数转换器电路中，进行失调校准;所述数字校准电路还用于计算所述第一级逐次逼近式模数转换器电路中电容阵列的相对比例，并实现在数字域进行电容失配补偿。
[0010]所述第一级逐次逼近式模数转换器电路的模拟输入端为所述使用开环增益级的流水线逐次逼近式模数转换器的输入端而用于输入待转换的模拟信号Ain，所述第一级逐次逼近式模数转换器电路的模拟输出端与所述开环增益级的模拟输入端相连接并传递模拟信号A1，所述第一级逐次逼近式模数转换器电路的第一个数字输入端与所述数字校准电路的第一个数字输出端相连接并传递数字信号D3,所述第一级逐次逼近式模数转换器电路的数字信号输出端与所述数字校准电路的第一个数字输入端相连接并传递数字信号D1，所述开环增益级的模拟输出端与所述可调增益级的模拟输入端相连接并传递模拟信号A2,所述可调增益级的数字输入端与所述数字校准电路的第二个数字输出端相连接并传递数字信号D4,所述可调增益级的模拟输出端与所述第二级逐次逼近式模数转换器电路的模拟输入端相连接并传递模拟信号A3,所述第二级逐次逼近式模数转换器电路的数字输出端与所述数字校准电路的第二个数字输入端相连接并传递数字信号D2,所述伪随机数发生器的数字输出端分别与所述第一级逐次逼近式模数转换器电路的第二个数字输入端、所述数字校准电路的第三个数字输入端相连接并传递数字信号D5,所述数字校准电路的第三个数字输出端为所述使用开环增益级的流水线逐次逼近式模数转换器的输出端而用于输出转换得到的数字信号Dout。
[0011]由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点:本发明的流水线逐次逼近式模数转换器能够获得较高的信噪比、提高信号转换速度和分辨率并降低系统功耗，增加了系统的鲁棒性。【附图说明】
[0012]附图1为本发明的流水线逐次逼近式模数转换器的结构示意图。
[0013]附图2为本发明的流水线逐次逼近式模数转换器的校准过程示意图。
[0014]附图3为本发明的流水线逐次逼近式模数转换器中包含可调增益级的第二级逐次逼近式模数转换器电路的电路图。【具体实施方式】
[0015]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0016]需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
[0017]实施例:一种使用开环增益级的流水线逐次逼近式模数转换器，其信号通路由第一级逐次逼近式模数转换器电路、电压增益级、可调增益级、第二级逐次逼近式模数转换器依次连接而成，该流水线逐次逼近式模数转换器还包括用于对信号通路的各种模拟失配进行校准的伪随机数发生器和数字校准电路。其中，电压增益级用于对第一级逐次逼近式模数转换器电路输出的余量电压进行放大，其包括开环运放，该开环运放不包含任何用于精确放大的负反馈回路。可调增益级用于根据数字校准电路的输出而对电压增益级进行增益校准，由于开环增益级的增益容易受到工艺、电压、温度等因素的影响，因此，需要配合可调增益级以及数字校准电路对增益进行校准，具体的，数字校准电路用于计算包含电压增益级和可调增益级的总增益，而可调增益级根据数字校准电路的输出而对电压增益级和可调增益级的总增益进行粗略调整。此外，数字校准电路还用于计算第一级逐次逼近式模数转换器电路相对于第二级逐次逼近式模数转换器电路的直流失调，并输出校准结果信号至第一级逐次逼近式模数转换器电路中，进行失调校准;数字校准电路还用于计算第一级逐次逼近式模数转换器电路中电容阵列的相对比例，并实现在数字域进行电容失配补偿。
[0018]如附图1所示，该使用开环增益级的流水线逐次逼近式模数转换器中，第一级逐次逼近式模数转换器电路(SAR ADCi)具有一个模拟输入端、一个模拟输出端、两个数字输入端和一个数字输出端;第二级逐次逼近式模数转换器(SAR ADC2)电路具有一个模拟输入端和一个数字输出端;开环增益级(Open-loop amp)具有一个模拟输入端和一个模拟输出端； 可调增益级(Tunable gain)具有一个模拟输入端、一个模拟输出端和一个数字输入端;伪随机数发生器(PN)具有一个数字输出端；数字校准电路(Background Cal ibrat 1n Engine)具有三个数字输入端和三个数字输出端。
[0019]第一级逐次逼近式模数转换器电路的模拟输入端为该使用开环增益级的流水线逐次逼近式模数转换器的输入端而用于输入待转换的模拟信号Ain，第一级逐次逼近式模数转换器电路的模拟输出端与开环增益级的模拟输入端相连接并传递模拟信号A1，开环增益级采用开环运放，第一级逐次逼近式模数转换器电路的第一个数字输入端与后台数字校准电路数字校准电路的第一个数字输出端相连接并传递数字信号D3,第一级逐次逼近式模数转换器电路的数字信号输出端与后台数字校准电路数字校准电路的第一个数字输入端相连接并传递数字信号D1，开环增益级的模拟输出端与可调增益级的模拟输入端相连接并传递模拟信号A2,可调增益级的数字输入端与后台数字校准电路数字校准电路的第二个数字输出端相连接并传递数字信号D4,可调增益级的模拟输出端与第二级逐次逼近式模数转换器电路的模拟输入端相连接并传递模拟信号A3,第二级逐次逼近式模数转换器电路的数字输出端与后台数字校准电路数字校准电路的第二个数字输入端相连接并传递数字信号 D2,伪随机数发生器的数字输出端分别与第一级逐次逼近式模数转换器电路的第二个数字输入端、后台数字校准电路数字校准电路的第三个数字输入端相连接并传递数字信号D5， 后台数字校准电路数字校准电路的第三个数字输出端为该使用开环增益级的流水线逐次逼近式模数转换器的输出端而用于输出转换得到的数字信号Dout。
[0020]以上方案中，第一级逐次逼近式模数转换器电路对外部输入的模拟信号Ain进行采样，并做数字量化处理，得到数字信号D1送入数字校准电路。第一级逐次逼近式模数转换器电路将经处理后的余量电压以模拟信号A1输出至开环增益级中，开环增益级对模拟信号 A1进行放大和滤波获得模拟信号A2,并将模拟信号A2输出至可调增益级中。可调增益级对模拟信号A2进行增益校准而获得模拟信号A3,并将模拟信号A3输出至第二级逐次逼近式模数转换器电路中。第二级逐次逼近式模数转换器电路对模拟信号A3进行采样，并做数字量化处理，得到数字信号D2,并将数字信号D2输出至数字校准电路中。数字校准电路对第一级逐次逼近式模数转换器电路的输出的数字信号D1和第二级逐次逼近式模数转换器电路输出的数字信号D2进行分析和统计，以计算得出第一级逐次逼近式模数转换器电路中的比较器相对于第二级逐次逼近式模数转换器电路的失调电压偏差的极性，并逐次调整其输出的数字信号D3的值，第一级逐次逼近式模数转换器电路按照数字校准电路输出的数字信号D3 进行其内部比较器的失调电压校准，从而将失调电压的偏差降到最小，实现失调校准。数字校准电路还对第一级逐次逼近式模数转换器电路的输出的数字信号D1和第二级逐次逼近式模数转换器电路输出的数字信号D2进行分析和统计，以计算得出可调增益级输出的模拟信号A3的取值范围相对于第二级逐次逼近式模数转换器电路的量程范围是否合适，并逐次调整数字信号D4的值，可调增益级根据数字信号D4对模拟信号A2进行增益校准而获得模拟信号A3,使得模拟信号A3的取值范围略小于第二级逐次逼近式模数转换器电路的量程范围，实现增益校准。伪随机数发生器产生伪随机数序列并通过数字信号D5输出至第一级逐次逼近式模数转换器电路和数字校准电路。第一级逐次逼近式模数转换器电路按照伪随机数发生器输出的数字信号D5控制其内部电容阵列连接至不同的参考电压。数字校准电路则对伪随机数发生器的输出的数字信号D5、第一级逐次逼近式模数转换器电路的输出的数字信号D1和第二级逐次逼近式模数转换器电路输出的数字信号D2进行分析和统计，以计算出第一级逐次逼近式模数转换器电路输出的数字信号D1对应的精确权重，并通过数字信号处理方式进行权重校准，得到数字信号Dout。
[0021]附图2是上述流水线逐次逼近式模数转换器的校准过程实施框图，其工作过程具体为:第一步，上电启动。
[0022]第二步，进行失调校准，其具体过程包括:数字校准电路对第一级逐次逼近式模数转换器电路输出的数字信号D1和第二级逐次逼近式模数转换器电路输出的数字信号D2进行分析和统计，计算得出第一级逐次逼近式模数转换器电路中的比较器相对于第二级逐次逼近式模数转换器电路的失调电压偏差的极性，并将逐次调整数字信号D3的值;第一级逐次逼近式模数转换器电路根据数字校准电路输出的数字信号D3,对内部比较器进行失调电压进行调整，从而将该失调电压相对偏差降到最小。
[0023]第三步，进行增益校准，其具体过程包括:数字校准电路对第一级逐次逼近式模数转换器电路输出的数字信号D1和第二级逐次逼近式模数转换器电路输出的数字信号D2进行分析和统计，计算得出可调增益级的模拟输出信号A3的取值范围相对于第二级逐次逼近式模数转换器电路的量程范围是否合适，并逐次调整数字信号D4的值;可调增益级根据数字校准电路输出的数字信号D4,对其增益进行调整，从而使模拟信号A3的取值范围略小于且不超出第二级SAR ADC的量程范围。[〇〇24]第四步，进行权重校准，其具体过程包括:伪随机数发生器产生一个已知的伪随机数序列D5,送到第一级逐次逼近式模数转换器电路和数字校准电路中。第一级逐次逼近式模数转换器电路按照伪随机数发生器输出的数字信号D5,控制其内部电容阵列连接到不同的参考电压。数字校准电路对伪随机数发生器输出的数字信号D5,以及第一级逐次逼近式模数转换器电路输出的数字信号D1和第二级逐次逼近式模数转换器电路输出的数字信号 D2进行分析和统计，以计算出第一级逐次逼近式模数转换器电输出的数字信号D1对应的精确权重，通过数字信号处理的方式进行补偿和校准，得到最终的数字输出Dout。若在权重校准期间检测到模拟信号A3的取值范围超出了第二级逐次逼近式模数转换器电的量程范围， 则回到第三步;否则将持续执行权重校准。
[0025] 上述流水线逐次逼近式模数转换器中，可以将可调增益级融入到第二级逐次逼近式模数转换器电路中。图3是一个包含可调增益级的第二级逐次逼近式模数转换器电路的具体实施电路图。这表示可调增益级可以简易的融入到第二级逐次逼近式模数转换器电路中，实现成本很低。通过引入一个增益校准DAC与原DAC并联，以实现调整第二级逐次逼近式模数转换器电路的输入范围的目的，该过程与图1中调整可调增益级的增益相比，效果完全等同。其【具体实施方式】为:通过数字校准电路返回的数字信号D4,将增益校准DAC的电容阵列的底极板分别接到GND电位或悬空，即达到调整本级增益的目的，由此完成增益校准步骤过程。[〇〇26]上述方案的有益效果在于:1)通过对第一级逐次逼近式模数转换器电路中的比较器进行失调电压校准，可以增大第二级逐次逼近式模数转换器电路的有效输入范围，从而帮助系统获得可能的最高信噪比；2)通过对可调增益级的增益进行校准，可以增大第二级逐次逼近式模数转换器电路的有效输入范围，从而帮助系统获得可能的最高信噪比，此外，还有效降低对开环增益级的增益精确度的要求，从而提高转换速度并降低系统功耗，增加了电路的鲁棒性；3)通过数字信号处理的方式计算第一级逐次逼近式模数转换器电路输出的数字信号 D1对应的精确权重，并对结果进行补偿和校准，可以显著降低第一级逐次逼近式模数转换器电路的精度要求，从而提高转换速度并降低系统功耗，增加了电路的鲁棒性。
[0027]综上所述，本发明提供的使用开环增益级的流水线逐次逼近式模数转换器，通过使用一个简单的开环运放作为开环增益级而大大简化了模拟电路复杂度，提高了速度，降低了功耗;使用数字校准的方法分别调整第一级逐次逼近式模数转换器电路的直流失调和第二级逐次逼近式模数转换器电路的增益补偿，既增加了电路的鲁棒性，又利于系统实现可能的最高采样速率和信噪比。同样使用数字校准技术对第一级逐次逼近式模数转换器电路的精确权重进行计算，可以有效的降低系统非线性。
[0028]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种使用开环增益级的流水线逐次逼近式模数转换器，其信号通路由第一级逐次逼 近式模数转换器电路、用于对所述第一级逐次逼近式模数转换器电路输出的余量电压进行 放大的电压增益级、对所述电压增益级进行增益校准的可调增益级、第二级逐次逼近式模 数转换器电路依次连接而成，其还包括用于对所述信号通路的各种模拟失配进行校准的伪 随机数发生器和数字校准电路，其特征在于:所述电压增益级采用开环增益级。2.根据权利要求1所述的一种使用开环增益级的流水线逐次逼近式模数转换器，其特 征在于:所述可调增益级根据所述数字校准电路的输出而对所述电压增益级进行增益校 准。3.根据权利要求1或2所述的一种使用开环增益级的流水线逐次逼近式模数转换器，其 特征在于:所述电压增益级包括一个开环运放。4.根据权利要求2所述的一种使用开环增益级的流水线逐次逼近式模数转换器，其特 征在于:所述数字校准电路用于计算包含所述电压增益级和所述可调增益级的总增益;所 述可调增益级根据所述数字校准电路的输出而对所述电压增益级和所述可调增益级的总 增益进彳丁调整。5.根据权利要求4所述的一种使用开环增益级的流水线逐次逼近式模数转换器，其特 征在于:所述数字校准电路还用于计算所述第一级逐次逼近式模数转换器电路相对于所述 第二级逐次逼近式模数转换器电路的直流失调，并输出校准结果信号至所述第一级逐次逼 近式模数转换器电路中，进行失调校准；所述数字校准电路还用于计算所述第一级逐次逼近式模数转换器电路中电容阵列的 相对比例，并实现在数字域进行电容失配补偿。6.根据权利要求2所述的一种使用开环增益级的流水线逐次逼近式模数转换器，其特 征在于:所述第一级逐次逼近式模数转换器电路的模拟输入端为所述使用开环增益级的流 水线逐次逼近式模数转换器的输入端而用于输入待转换的模拟信号Ain，所述第一级逐次 逼近式模数转换器电路的模拟输出端与所述开环增益级的模拟输入端相连接并传递模拟 信号A1，所述第一级逐次逼近式模数转换器电路的第一个数字输入端与所述数字校准电路 的第一个数字输出端相连接并传递数字信号D3,所述第一级逐次逼近式模数转换器电路的 数字信号输出端与所述数字校准电路的第一个数字输入端相连接并传递数字信号D1，所述 开环增益级的模拟输出端与所述可调增益级的模拟输入端相连接并传递模拟信号A2,所述 可调增益级的数字输入端与所述数字校准电路的第二个数字输出端相连接并传递数字信 号D4,所述可调增益级的模拟输出端与所述第二级逐次逼近式模数转换器电路的模拟输入 端相连接并传递模拟信号A3,所述第二级逐次逼近式模数转换器电路的数字输出端与所述 数字校准电路的第二个数字输入端相连接并传递数字信号D2,所述伪随机数发生器的数字 输出端分别与所述第一级逐次逼近式模数转换器电路的第二个数字输入端、所述数字校准 电路的第三个数字输入端相连接并传递数字信号D5,所述数字校准电路的第三个数字输出 端为所述使用开环增益级的流水线逐次逼近式模数转换器的输出端而用于输出转换得到 的数字信号Dout。
【文档编号】H03M1/12GK106027050SQ201610242745
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年4月19日
【发明人】边程浩, 石寅, 周立国, 颜俊, 胡雪青
【申请人】灵芯微电子科技（苏州）有限公司