一种流水线adc的后台数字校准装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种流水线ADC的后台数字校准装置及方法，包括自适应滤波器、高精度ADC冗余子级、数据选择模块、数据分配模块、多路开关模块和控制信号产生模块；本发明首先通过控制信号产生模块控制数据选择模块、数据分配模块及多路开关模块，利用高精度ADC冗余子级及自适应滤波器对流水线ADC第一至第j级依次进行初始化校准，使流水线ADC能工作于较高精度输出状态；其后，在流水线ADC正常工作期间，控制信号产生模块控制各个模块对流水线ADC的第一级至第j级进行随机校准，以防止因芯片外部环境和内部环境引起的ADC性能下降。本校准具有校准误差小和校准精度高的优点。
【专利说明】—种流水线ADC的后台数字校准装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微电子【技术领域】的校准装置，特别涉及一种流水线ADC的后台数字校准装置及方法。
【背景技术】
[0002]流水线ADC (Analog-to-Digital Converter)作为外部模拟世界与电子系统的接口，是当前高速、高位ADC的主流结构，具有高速、高精度的特点，在高分辨率图像处理、视频处理以及无线通信等领域得到了广泛的应用，成为目前ADC研究热点之一。但是当流水线ADC的精度达到12位以上时，由于电容的不匹配、运算放大器的输入端寄生电容、电荷注入、比较器失调以及工艺偏差等各种因素引起的误差严重地限制了 ADC的性能，传统的模拟电路设计已经很难突破这个精度的瓶颈，所以在高速、高精度ADC的设计中都会采用校准技术。一般校准技术分为:数字校准和模拟校准。模拟校准技术是在模拟领域把相关的量调整到期望值，或者利用激光对芯片原件进行修改，其成本高且容易受到封装时机械应力的影响。数字校准技术把电路中的非理性因素，在数字领域通过一定的校准调整，将其调整到期望值。该技术实现成本低且不容易受外界干扰，成为了现行校准技术的主流。
[0003]数字校准技术可以分为两大类:前台数字校准技术和后台数字校准技术。前台数字校准技术由两部分组成:估计参数和校准误差。但是在前台校准的过程中估计参数和校正误差是两个相对独立的过程，ADC无法同时进行误差参数的提取和正常数据的转换，需要打断ADC的正常工作是前台数字校准技术的缺点之一，这一缺点限制了其使用范围。而后台数字校准技术中估计参数和校正误差是同时进行，因此在不需要打断ADC正常工作的情况下也能够实时地校准ADC电路中的非理想因素。
[0004]在数字后台校准领域中，一种广泛采用的校准方法是采用低速高精度的参考ADC作为待校准ADC的参考输出，其中该方法需要将待校准ADC通道的输入输出信号进行降频至与参考ADC通道的输入输出信号同频率，才能送进LMS (Least Mean Square，最小均方)或RLS (Recursive Least Square,递归最小二乘法)等自适应滤波器中进行校准。但是两个不同频率输出信号很难实现完全同步，在校准过程中，将为该参考ADC校准方法带来较大误差，从而限制了该方法的应用范围。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种流水线ADC的后台数字校准装置。该校准装置在不影响ADC正常工作的情况下能够实时地校准流水线ADC各个子级误差，具有校准误差小和校准精度高的优点。
[0006]本发明的另一个目的在于提供一种上述流水线ADC的后台数字校准装置的校准方法。
[0007]本发明的第一目的通过下述技术方案实现:一种流水线ADC的后台数字校准装置，包括自适应滤波器、高精度ADC冗余子级、数据选择模块、数据分配模块、多路开关模块和控制信号产生模块；
[0008]流水线ADC中第一级至第j级的ADC子级输入端分别通过数据选择器与高精度ADC冗余子级输入端连接，相应这些ADC子级的输出端分别通过自适应滤波器与下一级ADC子级输入端连接；
[0009]所述高精度ADC冗余子级的输出端通过数据分配模块分别与连接在ADC子级之间的各自适应滤波器的参考端连接；
[0010]所述各自适应滤波器的输出端通过多路开关模块的各路开关与其参考端连接；
[0011]所述控制信号产生模块分别与数据选择模块、数据分配模块和多路开关模块连接，控制各ADC子级输入端连接的数据选择模块通道及其输出端的自适应滤波器连接的数据分配模块通道同时选通；同时根据第一级至第j级ADC子级的校准状态控制多路开关相应通道的选通与关断。
[0012]优选的，所述j为η-1，η为流水线ADC的总级数，即所述流水线ADC中除第η级外，其它各级ADC子级的输入端分别通过数据选择模块与高精度ADC冗余子级输入端连接，相应的这些ADC子级的输出端分别通过自适应滤波器与下一级ADC子级输入端连接。
[0013]优选的，所述自适应滤波器为LMS自适应滤波器或RLS自适应滤波器。
[0014]本发明的第二目的通过下述技术方案实现:一种流水线ADC的后台数字校准装置实现的校准方法，包括以下步骤:
[0015](I)模拟信号经过采样保持放大器采样后作为流水线ADC第一级ADC子级和数字选择模块的输入；
[0016](2)流水线ADC校准的初始化:通过控制信号产生模块控制流水线ADC从第一级至第j级依次逐级进行以下校准步骤:
[0017](2-1)控制与当前所要校准的ADC子级输入端连接的数据选择模块通道以及与该ADC子级输出端的自适应滤波器连接的数据分配模块通道同时选通，同时控制连接在该ADC子级输出端的自适应滤波器输出端和参考端之间的一路开关断开，其他自适应滤波器的输出端和参考端之间的各路开关闭合；
[0018](2-2)当前所要校准的ADC子级输入端的信号同时通过数据选择模块当前选通的通道输入到高精度ADC冗余子级，高精度ADC冗余子级模块将输入信号转换成数字信号，作为自适应滤波器校准用的参考信号；
[0019](2-3)高精度ADC冗余子级输出的参考信号通过数据分配模块当前选通的通道输入到与当前所要校准的ADC子级连接的LMS自适应滤波器的参考端，自适应滤波器根据当前所要校准的ADC子级的输出信号和高精度ADC冗余子级输出的参考信号计算得到误差信号，并根据误差信号迭代更新抽头权系数，当更新抽头权系数后得到的误差信号小于一设定值X时，当前所要校准的ADC子级校准结束；
[0020](2-4)当前所要校准的ADC子级校准结束时，自适应滤波器输出校准后的信号给下一级ADC子级；返回步骤(2-1 )，针对下一级ADC子级进行校准，同时控制连接在该ADC子级输出端的自适应滤波器的输出端和参考端之间的一路开关闭合。
[0021]优选的，流水线ADC初始化校准后还包括随机校准步骤，所述随机校准步骤为:通过控制信号产生模块控制流水线ADC第一级至第j级中随机一级ADC子级输入端连接的数据选择模块通道以及与该ADC子级输出端的自适应滤波器连接的数据分配模块通道同时选通；同时控制连接在该ADC子级输出端的自适应滤波器输出端和参考端之间的一路开关断开，其他自适应滤波器的输出端和参考端之间的各路开关闭合；然后通过上述步骤(2-2)至(2-4)对该ADC子级进行校准。
[0022]优选的，所述步骤(2)中自适应滤波器为LMS自适应滤波器，所述各ADC子级输出信号经过LMS自适应滤波器后m时刻的输出信号y (m)为:
【权利要求】
1.一种流水线ADC的后台数字校准装置，其特征在于，包括自适应滤波器、高精度ADC冗余子级、数据选择模块、数据分配模块、多路开关模块和控制信号产生模块； 流水线ADC中第一级至第j级的ADC子级输入端分别通过数据选择器与高精度ADC冗余子级输入端连接，相应这些ADC子级的输出端分别通过自适应滤波器与下一级ADC子级输入端连接； 所述高精度ADC冗余子级的输出端通过数据分配模块分别与连接在ADC子级之间的各自适应滤波器的参考端连接； 所述各自适应滤波器的输出端通过多路开关模块的各路开关与其参考端连接； 所述控制信号产生模块分别与数据选择模块、数据分配模块和多路开关模块连接，控制各ADC子级输入端连接的数据选择模块通道及其输出端的自适应滤波器连接的数据分配模块通道同时选通；同时根据第一级至第j级ADC子级的校准状态控制多路开关相应通道的选通与关断。
2.根据权利要求1所述的流水线ADC的后台数字校准装置，其特征在于，所述j为n-1，η为流水线ADC的总级数，即所述流水线ADC中除第η级外，其它各级ADC子级的输入端分别通过数据选择模块与高精度ADC冗余子级输入端连接，相应的这些ADC子级的输出端分别通过自适应滤波器与下一级ADC子级输入端连接。
3.根据权利要求1所述的流水线ADC的后台数字校准装置，其特征在于，所述自适应滤波器为LMS自适应滤波器或RLS自适应滤波器。
4.一种基于权利要求1至3中任一项所述的流水线ADC的后台数字校准装置实现的校准方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)模拟信号经过采样保持放大器采样后作为流水线ADC第一级ADC子级和数字选择模块的输入； (2)流水线ADC校准的初始化:通过控制信号产生模块控制流水线ADC从第一级至第j级依次逐级进行以下校准步骤: (2-1)控制与当前所要校准的ADC子级输入端连接的数据选择模块通道以及与该ADC子级输出端的自适应滤波器连接的数据分配模块通道同时选通，同时控制连接在该ADC子级输出端的自适应滤波器输出端和参考端之间的一路开关断开，其他自适应滤波器的输出端和参考端之间的各路开关闭合； (2-2)当前所要校准的ADC子级输入端的信号同时通过数据选择模块当前选通的通道输入到高精度ADC冗余子级，高精度ADC冗余子级模块将输入信号转换成数字信号，作为自适应滤波器校准用的参考信号； (2-3)高精度ADC冗余子级输出的参考信号通过数据分配模块当前选通的通道输入到与当前所要校准的ADC子级连接的LMS自适应滤波器的参考端，自适应滤波器根据当前所要校准的ADC子级的输出信号和高精度ADC冗余子级输出的参考信号计算得到误差信号，并根据误差信号迭代更新抽头权系数，当更新抽头权系数后得到的误差信号小于一设定值X时，当前所要校准的ADC子级校准结束； (2-4)当前所要校准的ADC子级校准结束时，自适应滤波器输出校准后的信号给下一级ADC子级；返回步骤(2-1)，针对下一级ADC子级进行校准，同时控制连接在该ADC子级输出端的自适应滤波器的输出端和参考端之间的一路开关闭合。
5.根据权利要求4所述的流水线ADC的后台数字校准方法，其特征在于，所述流水线ADC初始化校准后还包括随机校准步骤，所述随机校准步骤:通过控制信号产生模块控制流水线ADC第一级至第j级中随机一级ADC子级输入端连接的数据选择模块通道以及与该ADC子级输出端的自适应滤波器连接的数据分配模块通道同时选通；同时控制连接在该ADC子级输出端的自适应滤波器输出端和参考端之间的一路开关断开，其他自适应滤波器的输出端和参考端之间的各路开关闭合；然后通过上述步骤(2-2)至(2-4)对该ADC子级进行校准。
6.根据权利要求4所述的流水线ADC的后台数字校准方法，其特征在于，所述步骤(2)中自适应滤波器为LMS自适应滤波器，所述各ADC子级输出信号经过LMS自适应滤波器后m时刻的输出信号y(m)为:
7.根据权利要求4所述的流水线ADC的后台数字校准方法，其特征在于，所述步骤(2-3)中，所述X值根据ADC信噪比要求进行选择，所述X值为小于或等于0.5个ADC的最低有效位。
8.根据权利要求7所述的流水线ADC的后台数字校准方法，其特征在于，所述步骤(2-3)中，当ADC信噪比要求在60dB~90dB时，X值为10'
【文档编号】H03M1/10GK103973306SQ201410137126
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年4月4日 优先权日:2014年4月4日
【发明者】李斌, 燕振华, 吴朝晖 申请人:华南理工大学