模数转换器中多级多比特子电路的数字校准方法及电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于集成电路设计与制造领域，特别设及一种流水线模数转换器中多级多 比特子电路的数字校准方法及电路。
【背景技术】
[0002] 随着微处理器和信号处理技术的迅速发展，对模数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC)的性能要求越来越高。高速高精度流水线ADCW其转换速度快，分辨率高， 功耗低的特点，广泛应用于信号处理领域。另一方面，随着集成电路工艺的高速发展，器件 的尺寸越来越小，器件的工作速度进一步提升，而功耗进一步降低。但是，尺寸缩小所致的 器件失配越来越严重，当流水线ADC的精度提高到12bitW上时，工艺的偏差导致的电容失 配、运放的非理想性、比较器失调等误差的产生，采用传统模拟电路的设计方法已经无法设 计出高性能的ADC。采用数字校准的方法对模拟电路采样输出的数据进行误差校正，能有 效地补偿工艺的偏差带来的误差，提高流水线ADC的性能。在高速高精度流水线ADC的研 究中，传统的每级单比特结构的子级ADC实现将会显著提高巧片的整体功耗，增大巧片的 面积。为了减少采样电容，降低功耗，减少噪声，在首级和前几级子ADC必须采用多比特结 构。在多比特结构的子级ADC中，比较器的电容失配将会产生非线性误差，影响了转换器的 动态性能，需要对多比特子级ADC的电容失配引起的误差进行校准。
[000引如图1所示，流水线ADC由时钟发生电路，流水线转换结构，延时对准寄存器阵 列和数字校准电路构成，其中流水线转换结构是输入采样保持电路（SHA，Sample-Hold Amplifier)和n级转换电路级联构成。每个流水线子级转换电路包括1个子ADC(SADC)和 1 个余量增益数字模拟转换器（MDAC，MultiplyingDigitaltoAnalogConve;rte;r)。在 进行数模转换时，采样保持电路在采样相对输入信号进行采样，然后在保持相向stagel输 出，作为第1级的输入电压Vi，stagel中的SHA电路对Vi进行采样和保持，同时SADC对 Vi进行A/D转换，得到Kbit转换结果作为本级转换结果输出到延迟对准寄存器阵列中， 并且作为SADC的数字输入W实现对Vi的量化估计，模拟减法电路实现Vi与Kbit估计值 作差，得到的差值在放大相通过放大器放大2kH倍后作为本级的模拟输出Vo向stage2输 出。其余级电路与第1级工作过程相似。
[0004] 图2为1.化it级电路的传输特性曲线，1. 5bit结构的电路输出3种数字代码，当 本级输入小于化/4本级输出代码为00。当本级输入在[-Vr/4,化/4]之间时，本级输出代 码为01。当本级输入大于化/4时本级输出代码为10。通过在两个转折点计算出由电容不 匹配带来的误差，然后再将该误差补偿，得到线性关系的输出，如图3所示的校准后的输出 曲线。
[000引由于多比特子级ADC采用的电容数较多，比较器的比较点众多，采用模拟电路实 现方法将会使得电路非常复杂，功耗和面积极大增加。而现有的1.化it级子ADC的数字校 准技术虽然具备了较好的校准效果，但无法满足高精度多比特子级结构流水线的ADC设计 的要求。发明一种实现方法简单，实现电路简便，校准效率高的多级、多比特级子电路校准 方法显得非常有必要。
【发明内容】
[0006] 针对W上问题本发明提供了一种便于数字电路实现的多级多比特子级ADC的数 字校准方法及电路。
[0007] 本发明提供一种3.化it子级比较器电容失配的校准方法，进行多级校准，用W实 现对电容失配引起的误差进行校正，误差计算在片外实现，电路简易方便，校准效果好，随 温度、电压等外界环境变化较小。
[000引一种模数转换器中多级多比特子电路的数字校准方法，所述流水线ADC包含多个 流水级，每个流水级包含子ADC、子DAC、放大器和减法器，模拟输入信号Vi输入到子ADC中 进行量化产生数字输出，同时将该数字输出送入子DAC中进行数模转换，输出模拟量，将模 拟输入信号Vi和所述输出模拟量在减法器中进行减法运算，再经过放大器放大后得到输 出电压Vo,即为MDAC的输出。子DAC、加法器和放大器共同组成了MADC。
[0009] 由于电路中的MDAC采用的是差分结构输出，采用的是差分比较器。如图4所示， 设qp、qn为比较器电平的差分输出，对于同一个虚地点采用电荷守恒定律：
[0010] (a)当qp= 0,qn= 1时，Vreft开关关断，Vreft开关闭合，比较器输出为0。设xl， x2分别为放大器差分输出化VLi和化2为直流时的共模电平。
[0011] 设虚地点电压为0,对于ina点由电荷守恒得到如下方程：
[001引（0-VLi) ? Ci.i+(0-VL2) ? 2Cxi= (O-Vrefb) ? Ci.i+(0-xl) ? 2Cxi (1)
[0013] 可推导出；
[0014]
【主权项】
1. 一种模数转换器中多级多比特子电路的数字校准方法，其特征在于： 第一步：首先在外围控制电路中初始化校准控制字，在校准使能信号有效的情况下，进 入循环，循环次数为子电路的比较点的个数；外围控制电路发出强制区间码，使得子MDAC 中的比较器处于相应的工作区间；模拟电路接收到此码后，得到当前本级的输出数字码，数 字校准电路接收该级的数字码，由数据合成电路完成多级子电路的数字码的数据合成，得 到当前ADC的数字输出，由校准值测量电路根据SPI寄存器电路中的参数值来完成当前比 较点处量化值的累加运算，并存储到SPI寄存器电路中；外围控制电路读取该累加值，进行 误差运算并取平均数，得到该比较点出的校准值，并将该校准值写入到SPI寄存器电路中， 然后进入下一个比较点的误差值计算；当本级子电路校准完成之后，将