专利名称：一种电荷传输损失率的检测方法及实现电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及电荷耦合流水线模数转换器的非理想特性的检测方法及实现电路，特
别是一种电荷耦合流水线模数转换器中电荷传输损失率的检测方法及实现电路。
背景技术：
随着数字信号处理技术的不断发展，电子系统的数字化和集成化是必然趋势。然而现实中的信号大都是连续变化的模拟量，需经过模数转换变成数字信号方可输入到数字系统中进行处理和控制，因而模数转换器在未来的数字系统设计中是不可或缺的组成部分。在宽带通信、数字高清电视和雷达等应用领域，系统要求模数转换器同时具有非常高的采样速率和分辨率。这些应用领域的便携式终端产品对于模数转换器的要求不仅要高采样速率和高分辨率，其功耗还应该最小化。 目前，能够同时实现高采样速率和高分辨率的模数转换器结构为流水线结构模数
转换器。流水线结构是一种多级的转换结构，每一级使用低精度的基本结构的模数转换器，
输入信号经过一级级的处理，最后由每级的结果组合生成高精度的输出。其基本思想就是
把总体上要求的转换精度平均分配到每一级，每一级的转换结果合并在一起可以得到最终
的转换结果。由于流水线结构模数转换器可以在速度、功耗和芯片面积上实现最好的折中，
因此在实现较高精度的模数转换时仍然能保持较高的速度和较低的功耗。 现有比较成熟的实现流水线结构模数转换器的方式是基于开关电容技术的流水
线结构。基于该技术的流水线模数转换器中采样保持电路和各个子级电路的工作也都必须
使用高增益和宽带宽的运算放大器。模数转换器的速度和处理精度取决于所使用高增益和
超宽带宽的运算放大器负反馈的建立速度和精度。因此该类流水线结构模数转换器设计的
核心是所使用高增益和超宽带宽的运算放大器的设计。这些高增益和宽带宽运算放大器的
使用限制了开关电容流水线模数转换器的速度和精度，成为该类模数转换器性能提高的主
要限制瓶颈，并且精度不变的情况下模数转换器功耗水平随速度的提高呈直线上升趋势。
要降低基于开关电容电路的流水线模数转换器的功耗水平，最直接的方法就是减少或者消
去高增益和超宽带宽的运算放大器的使用。 电荷耦合流水线模数转换器就是一种不使用高增益和超宽带宽的运算放大器的模数转换器，该结构模数转换器具有低功耗特性同时又能实现高速度和高精度。电荷耦合流水线模数转换器采用电荷耦合信号处理技术。电路中，信号以电荷包的形式表示，电荷包的大小代表不同大小的信号量，不同大小的电荷包在不同存储节点间的存储、传输、加/减、比较等处理实现信号处理功能。通过采用周期性的时钟来驱动控制不同大小的电荷包在不同存储节点间的信号处理便可以实现模数转换功能。 电荷耦合流水线模数转换器包括电荷耦合采样保持电路、多级对采样得到的电荷包进行量化和余量处理的电荷耦合子级流水线电路、最后一级对采样得到的电荷包进行量化的电荷耦合子级流水线电路、对每个电荷耦合子流水级输出的数字码进行同步的延时同步寄存器、将接收的数字码进行数字纠错的数字校正模块、时钟和偏置信号产生电路(产生时钟、基准信号及偏置信号)。要实现上述电荷耦合流水线模数转换器，最核心的一个问题就是电荷包的存储传输、比较量化以及加减运算等关键步骤在现有的工艺条件下(特别是普通CMOS工艺)能够精确地实现。 如图l所示为一个基本的电荷传输单元，图l(a)中电荷传输单元包括2个电荷传输控制开关12、13，一个连接在两个电荷传输控制开关之间的电荷存储元件(电容15)，节点14为电荷包存储节点，节点11和16分别连接前一级和后一级的电荷存储元件，电容15的底板Vct接电荷传输控制信号。 图1 (b)所示为所述电荷传输单元的工作原理波形示意图。在t0时亥lj，电荷传输控制信号Vct接高电平，电荷存储节点14的电压处于高电平14_1 ;tl时刻，电荷传输控制开关12关闭(假设高电平有效)，存储在节点11的电荷包通过电荷传输控制开关12传输到节点14，由于电子的注入，节点14的电压缓缓降低；t2时刻，电荷传输控制开关12打开(低电平)，电荷包从节点11到节点14的传输工作完成，电荷传输完成之后节点14的电压将稳定到14—2b，如果传输的电荷包较小，节点14的电压将稳定到14_2a ;t3时亥lj，电荷传输控制信号Vct接低电平，节点14的电压将会被拉到一个很低的电位，但同时电荷传输控制开关13关闭(高电平)，存储在节点14的电荷包通过电荷传输控制开关13传输到节点16，由于电子的流出，节点14的电压缓缓抬高；t4时刻，当电荷传输控制开关13打开(低电平)，电荷包从节点14到节点16的传输工作完成，电荷传输完成之后节点14的电压将稳定到14_3，电压14_3只与电荷传输控制信号Vct和共模信号有关与输入电荷包大小没有关系；在t5时刻，电荷传输控制信号Vct重新接高电平，电荷存储节点14的电压恢复到高电平14—4。 上述流水线电荷传输基本单元的各个工作状态中，节点14的电压从t0时刻的V14_l减小到t2 t3时刻的V14—2，该电压的变化量」Vc就反映了输入电荷包的大小并且有如下关系式 Qin = AVc*Cs = (V14_l-V14_2)*Cs (1) 其中，Cs为节点14电容总和(包括电容15及节点14其他寄生电容)。因此，在t2 t3时刻输入电荷包带来的与其大小成正比的电压变化量」Vc可以通过比较器采样并且量化，完成对电荷包的比较量化功能。实际电路中，由于电荷传输过程中存在一定的损耗(电荷传输效率小于100% )，输入电荷包每经过一次传输都会有一定量的损失，并且该损失量与输入电荷包的大小成正比。由(1)式可知，前级电路电荷存储节点ll输入电荷包Qin的损失将会导致本级电荷存储节点14点压变化量」Vc的减小。电荷包的损失逐级积累而得不到补偿便会使」Vc的误差逐级积累，最终使比较器产生误判，得到错误的量化输出码。以14位精度的模数转换器为例，假设电荷传输效率为99.9%，那么对于满幅输入信号来说，第一次电荷传输所带来的误差为O. 1%，对应误差达到了 16LSB。因此，对于高精度电荷耦合流水线模数转换器来说，其电荷传输损失所带来的误差必须进行补偿。
—种较好的对电荷耦合流水线模数转换器中电荷传输损失进行补偿的方法为首先判断输入模数转换器电荷包的大小；其次根据输入电荷包的大小及传输效率确定电荷包传输过程中的电荷损失量；最后根据电荷传输损失量补偿相应的电荷量。该方法中第二步对电荷损失量进行估算时需要知道电荷传输损失率。电荷传输效率可以采用多次试验得到的一个固定的统计中心值，采用固定电荷损失率对于精度在12位以下的模数转换器的
4电荷传输效率完全可以满足要求，因为现有CMOS工艺的工艺波动带来的传输效率波动误 差对于精度在12位以下的模数转换器可以忽略不计。对于精度达12位以上的电荷耦合流 水线模数转换器，现有工艺条件带来的电荷传输效率波动误差将不能忽略，因此必须提供 一种可以自动检测电荷传输损失率的方法，以克服工艺波动带来的电荷传输效率波动的影 响。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种对电荷耦合流水线结构模 数转换器中电荷传输损失率进行检测的方法和电路，。 按照本发明提供的技术方案，所述电荷耦合流水线模数转换器中电荷传输损失率 的检测方法，其特征是包括以下步骤
1)输入一个基准电荷包；
2)对电荷包进行比较量化； 3)根据所述电荷包比较量化结果在电荷传输损失率波动误差分布表中查表得到 电荷传输损失率。 所述误差分布表的设置基于模数转换器电路设计所使用工艺的工艺波动引起的 电荷传输损失率波动所服从的正态分布统计模型。 所述在误差分布表中查表所使用的基准电荷包比较量化数据只采用第10位以后 的最低几位数据。 所述电荷耦合流水线模数转换器中电荷传输损失率的检测电路结构，其特征是包
括基准电荷比较量化模块接收输入的基准电荷包，对基准电荷包进行比较量化并将量化
结果输出给数据查找模块；数据查找模块根据所述量化结果在电荷传输损失率波动误差分
布表模块中进行查找，最后得到电荷耦合流水线模数转换器的电荷传输损失率。 所述电荷传输损失率波动误差分布表模块中的数据可以为存储于电荷耦合流水
线模数转换器芯片中的片上ROM中的标准数据，或者采用软件编程的方法，在所述芯片工
作时通过外部接口写入到片上RAM中。 所述基准电荷包通过模数转换器的基准信号产生电路产生。 本发明的优点是自动检测电荷耦合流水线模数转换器中的电荷传输损失率，将 电荷传输损失率波动带来的影响控制在模数转换器最低分辨率要求以内，以克服工艺波动 所带来的电荷传输损失率波动对现有电荷耦合流水线模数转换器的精度限制的问题，进一 步提高现有电荷耦合流水线模数转换器的转换精度。
图1为简化了的电荷传输单元及工作波形示意图； 图2为本发明电荷耦合流水线模数转换器中电荷传输损失率进行检测的工作流 程图； 图3为电荷传输损失率的检测实现电路结构图； 图4为电荷传输损失率波动误差分布曲线； 图5为本发明一种对电荷传输损失率进行查表的硬件电路结构 图6为一种应用本发明对电荷耦合流水线模数转换器中电荷传输损失进行补偿 的方法流程图。
具体实施例方式
下面将结合附图对本发明优选实施方案进行详细说明。 如图2所示，本发明对电荷耦合流水线模数转换器中电荷传输损失率进行检测的 方法，其工作流程包括4个步骤基准电荷包输入21，对电荷包进行比较量化22，设置电荷 传输损失率波动误差分布表23和根据电荷包比较量化结果在误差分布表中查表24。经过 上述步骤，得到电荷耦合流水线模数转换器的电荷传输损失率。 步骤21所需要的基准电荷包可以通过模数转换器的基准信号产生电路产生；步 骤22由基准电荷比较量化模块31完成；步骤23电荷传输损失率波动误差分布表的设置可 以基于电荷耦合流水线模数转换器电路设计所使用的工艺参数的波动范围进行设定，其分 布表的大小和精确程度均可根据所设计电荷耦合流水线模数转换器的精度要求灵活设定， 其分布表的物理实现可以通过片上的存储器存储一定的目标数据实现；步骤24可以通过 一定的算法查找步骤23中存储器所存储的目标数据实现。所述步骤23的实施也可以提前 到步骤21和步骤22之前进行，只要在步骤24实施之前进行即可。 图3所示为本发明电荷耦合流水线模数转换器中电荷传输损失率检测方法的硬 件实现电路结构框图。整个硬件电路包括基准电荷比较量化模块31，电荷传输损失率波动 误差分布表模块32和数据查找模块33。基准电荷比较量化模块31与数据查找模块33相 连接，数据查找模块33和电荷传输损失率波动误差分布表模块32相连接。电路工作原理 为首先输入一个基准电荷包到基准电荷比较量化模块31，比较量化模块31将该基准电荷 包进行量化得到R位的量化结果并提供给数据查找模块33，数据查找模块33根据该R位数 据在电荷传输损失率波动误差分布表模块32中进行查找，最后得到电路的电荷传输损失 率。 图3所示电路的具体实现上，基准电荷比较量化模块31可以直接复用模数转换器 的多级子级流水线电路，从而减小硬件电路开销；电荷传输损失率波动误差分布表模块32 可以基于设计所使用的工艺参数的波动范围进行设定，其数据可以为存储于模数转换器芯 片中的片上ROM中的标准数据，也可以采用软件编程的方法，在芯片工作时通过外部接口 写入到片上RAM中；数据查找模块33可以采用现有各种存储器数据查找算法实现。
在现有的集成电路工艺条件下，由工艺波动带来的电路参数的波动基本上服从正 态分布。正态分布存在一个概率分布的中心值，对于采用固定电荷传输损失率的电荷传输 损失补偿方法来说，将电荷传输损失率选取为正态分布的中心值便可以满足精度12位以 下电荷耦合流水线模数转换器的要求。 本发明中工艺波动带来的电荷传输损失率波动误差分布表的设置同样可以基于 工艺波动所服从的正态分布统计模型。图4中所示为试验测试得到的一种电荷传输损失率 随工艺波动变化的一种统计分布图。图中电荷传输损失率分布的中心值为e，工艺波动引起 的电荷传输损失率波动范围为0 2e。电荷传输损失率波动误差分布表的设置可以根据模 数转换器的品质良率来设定和选取。如所设计模数转换器良率要求为95%，则电荷传输损 失率波动误差分布表应覆盖电荷传输损失率波动范围的95%以上。根据95%的覆盖率，我
6们便可以e为中心确定传输效率误差值a，对应的误差分布区间应为[e-a e+a]，误差区间宽度为2a。若将宽度为2a的误差区间划分为2N_1个子区间，则该2N_1个子区间可通过一个N位的模数转换器来精确的定位每一个子区间，从而得到对应的电荷传输损失率。要将宽度为2a的误差区间划分为2N_1个子区间，子区间的划分方法可以采用线性的等间距划分，也可以采用考虑电荷传输非线性之后的其他划分方式。为简单明了，本实施例以等间距划分为例进行说明。 在确定了误差区间2a的宽度及对应子区间的划分方法之后，应该确定子区间的个数(即对区间进行查找定位的模数转换器的位数N)。子区间的个数直接决定了电荷传输损失率波动误差分布表的复杂度和精确度，若要求较高的精确度，则对应N就越大越好，对应误差分布表的复杂度就大，对应的硬件开销就大，功耗消耗也随之增大；反之，精确度不高，对应的硬件开销就小，功耗便可以降低。 实际应用时电荷传输损失率波动误差分布表的复杂度和精确度应根据所设计模数转换器的精度要求和功耗要求进行折中。2N_1个子区间对应的电荷传输损失率数值可以数据的形式存储在电路中片上ROM里。并且电荷传输损失率对电荷耦合模数转换器的影响也只体现在最低几位数据的准确度，因此用于对误差分布表进行查询的N位对基准电荷包进行量化的模数转换数据，可以直接采用电荷耦合模数转换器量化输出数据的最低N位输出数据。例如对于第14位模数转换器，可以选取N为4，即模数转换器最低4位输出数据作为误差分布表进行查询的数据，这样可以降低误差分布表的复杂度，减少硬件开销，降低功耗。 图5所示为本发明实施例一种对电荷传输损失率进行查表的硬件电路实现方式。图中51模块为电荷传输损失率误差分布表数据存储区域；52模块为数据选择控制开关阵列，开关阵列中开关分为两大种类，其中形状如53所示开关的翻转特性与形状如54所示开关的翻转特性相反。模块51中的数据可以为存储于模数转换器芯片中的片上ROM中的标准数据，也可以采用软件编程的方法，在芯片工作时通过外部接口写入到片上RAM中。图中采用的是4位模数转换器数据的查找方法，d3 d2 dl dO为对基准电荷包进行量化得到的模数转换器最后4位输出数据，这里4位数据采用的是二进制编码方式，d0为最低位，d3为最高位；e0 e15为16个存储于存储器中的标准电荷传输损失率数据，这些数据为电荷传输损失率的波动分布范围，由多次试验测试得到，参数分布以统计得到中心值为中心线性分布。假设开关53和54分别为0有效和1有效，模数转换器d3 d2 dl d0数据为1001，则经查表得到的数据输出Eout为e9。 采用本发明所设计的对电荷传输损失率进行检测的方法便可以实现一种高精度的对电荷耦合流水线模数转换器中电荷传输损失进行补偿的方法。图6所示即为一种结合本发明电荷传输损失率检测方法的一种对电荷耦合流水线模数转换器中电荷传输损失进行补偿的方法，该方法在现有补偿方法的基础上增加了一步电荷传输损失率检测步骤。第一步为电荷传输损失率自动检测；第二步判断输入模数转换器电荷包的大小；第三步根据输入电荷包的大小及检测得到的传输效率确定电荷包传输过程中的电荷损失量；第四步根据电荷传输损失量补偿相应的电荷量。该方法较现有方法而言，最突出的优点是具有对工艺波动不敏感的特性，进一步提高电荷耦合流水线模数转换器转换精度。
本发明所提供的对电荷传输损失率进行检测的方法还可以广泛应用于其他各类
7高精度基于电荷耦合信号处理技术的电路系统中。因为电荷传输损失现象是电荷耦合信号 处理技术中普遍存在的问题，对于低精度应用场合，该损失现象带来的问题可以忽略，对于 高精度应用场合，该非理想特性必须进行补偿。 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和 原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种电荷耦合流水线模数转换器中电荷传输损失率的检测方法，其特征是包括以下步骤4)输入一个基准电荷包；5)对电荷包进行比较量化；6)根据所述电荷包比较量化结果在电荷传输损失率波动误差分布表中查表得到电荷传输损失率。
2. 根据权利要求1所述的电荷耦合流水线模数转换器中电荷传输损失率的检测方法，其特征在于所述误差分布表的设置基于模数转换器电路设计所使用工艺的工艺波动引起的电荷传输损失率波动所服从的正态分布统计模型。
3. 根据权利要求1所述的电荷耦合流水线模数转换器中电荷传输损失率的检测方法，其特征在于所述在误差分布表中查表所使用的基准电荷包比较量化数据只采用第10位以后的最低几位数据。
4. 一种电荷耦合流水线模数转换器中电荷传输损失率的检测电路结构，其特征是包括基准电荷比较量化模块接收输入的基准电荷包，对基准电荷包进行比较量化并将量化结果输出给数据查找模块；数据查找模块根据所述量化结果在电荷传输损失率波动误差分布表模块中进行查找，最后得到电荷耦合流水线模数转换器的电荷传输损失率。
5. 根据权利要求4所述的电路结构，其特征在于所述电荷传输损失率波动误差分布表模块中的数据可以为存储于电荷耦合流水线模数转换器芯片中的片上ROM中的标准数据，或者采用软件编程的方法，在所述芯片工作时通过外部接口写入到片上RAM中。
6. 根据权利要求4所述的电路结构，其特征在于所述基准电荷包通过模数转换器的基准信号产生电路产生。
全文摘要
本发明提供了一种对电荷耦合流水线模数转换器中电荷传输损失率进行检测的方法，其工作流程包括输入一个基准电荷包，对电荷包进行比较量化，设置电荷传输损失率波动误差分布表和根据电荷包比较量化结果在误差分布表中查表等步骤。所发明的电荷传输损失率检测方法可以自动检测电荷耦合流水线模数转换器中的电荷传输损失率，将电荷传输损失率波动带来的影响控制在模数转换器最低分辨率要求以内，以克服工艺波动所带来的电荷传输损失率波动对现有电荷耦合流水线模数转换器的精度限制的问题，进一步提高现有电荷耦合流水线模数转换器的转换精度。
文档编号H03M1/10GK101789787SQ201010105309
公开日2010年7月28日 申请日期2010年1月27日 优先权日2010年1月27日
发明者季惠才, 陈珍海, 黄嵩人 申请人:中国电子科技集团公司第五十八研究所