CN107359878B - 一种基于最小量化误差的流水线adc的前端校准方法 - Google Patents

一种基于最小量化误差的流水线adc的前端校准方法 Download PDF

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Abstract

一种用于流水线ADC的前端校准方法，属于模拟集成电路技术领域。本发明从流水线ADC的第一级增益开始校正，直到依次校正完流水线ADC的前N‑1级增益为前端校准一次，当得到第一级增益至第N‑1级增益后可得还原后的信号与原信号的误差；在校准之前先利用闪存式ADC的数字输出得到流水线ADC前N‑1级的模拟输出；在校准过程中具体基于MATLAB程序搜索流水线ADC每级增益，进而通过对流水线ADC输出数据进行还原，对还原后信号进行快速傅立叶变换分析，当有效位数等指标满足要求时即可认为增益查找正确，从而实现流水线ADC校准。本发明改善了高速高精度流水线ADC中传统校准精度低的缺点，具有高效快速准确的特点，比较适用于高速高精度流水线ADC校准。

Description

一种基于最小量化误差的流水线ADC的前端校准方法
技术领域
本发明属于模拟集成电路领域，具体涉及一种基于最小量化误差的流水线ADC的前端校准方法。
背景技术
流水线ADC结构如图1所示，输入信号经采样保持电路采样后送入流水线单元ADC，各单元ADC在双相不交叠时钟的控制下交替进行采样和余差放大。在单元ADC内部，采样相时信号同时经乘法数模转换器MDAC采样和子ADC，子ADC通过比较产生数字码Di；保持相时Di经MDAC与输入信号相减产生余差，MDAC对余差进行放大，余差经放大后送入下一级，作为下一级的输入信号。MDAC输入输出关系如下：
Figure GDA0002380161140000011
Figure GDA0002380161140000012
其中Gain为MDAC的增益，A为MDAC中运放的开环增益，Vref为参考电压，Cf为反馈电容，Ci为采样电容，Cp为运放输入端的寄生电容，包括输入管寄生电容Cgs、Cgb和Cgd。传统MDAC在低速低精度流水线ADC中可以实现运放高增益要求，从而使得MDAC增益Gain近似等于其理想值即常数
Figure GDA0002380161140000013
但随着流水线ADC向高速高精度方向发展，高速高精度流水线ADC对运放单位增益带宽积要求越来越高，而高带宽高增益运放难以实现，MDAC增益不再似等于常数
Figure GDA0002380161140000014
从而出现增益误差，带来非线性，进而影响ADC性能。近年来高速高精度流水线ADC往往牺牲运放增益，保证运放速度，通过校准算法确定每级增益，进而降低流水线ADC的非线性。
发明内容
本发明的目的是为流水线ADC提供一种基于最小量化误差的流水线ADC的前端校准方法，利用此方法校准ADC前N-1级增益，校准所需模拟量少，校准速度快精度高。本方法可用在高速高精度流水线ADC校准领域。
本发明的技术方案为：
一种基于最小量化误差的流水线ADC的前端校准方法，所述流水线ADC有N级，其中N为大于1的正整数；所述流水线ADC包括前N-1级的子级ADC和第N级的闪存式ADC；
在进行校准之前，通过模拟仿真所述流水线ADC电路得到所述流水线ADC中每一级的数字输出Dout；
根据仿真得到的所述第N级的闪存式ADC的数字输出Dout(Flash)计算所述流水线ADC前N-1级的模拟输出，具体步骤如下：
1.1将仿真得到的闪存式ADC的数字输出Dout(Flash)利用还原公式还原成闪存式ADC的模拟输入Vin(Flash)，所述闪存式ADC的模拟输入Vin(Flash)即为所述流水线ADC第N-1级的模拟输出Vout(N-1)；
所述还原公式为
Figure GDA0002380161140000021
其中m为所述闪存式ADC的位数，Vref为所述流水线ADC的参考电压；
1.2将第N-1级的增益Gain(N-1)设置为理想值，再将仿真得到的第N-1级的数字输出Dout(N-1)和1.1得到的第N-1级的模拟输出Vout(N-1)利用校准公式进行还原得到第N-1级输入电压Vin(N-1)，所述第N-1级输入电压即为第N-2级的模拟输出Vout(N-2)；
所述校准公式为
Figure GDA0002380161140000022
其中Ci为流水线ADC的子级ADC内部采样电容；
1.3按照步骤1.2的方法依次得到所述流水线ADC前N-1级的模拟输出；
根据上述步骤得到的所述流水线ADC前N-1级的模拟输出和仿真得到的数字输出校准所述流水线ADC的前N-1级的增益，从所述流水线ADC的第一级增益开始校正，直到依次校正完所述流水线ADC的前N-1级增益为前端校准一次；
其中校正流水线ADC的第n级增益包括如下步骤，其中n取1至N-1中的任意一个正整数：
2.1：将所述流水线ADC中除第一级增益至第n级增益外的其他级增益设置为理想值，而第一级增益至第n-1级增益为校准后的增益；
2.2：对第n级增益从其理想值左右两侧以固定步长依次取值，每取一个第n级增益值Gain(n)按校准公式将第n级模拟输出Vout(n)和第n级数字输出Dout(n)进行还原得到第n级输入电压Vin(n)，所述得到的第n级输入电压Vin(n)为第n-1级的模拟输出Vout(n-1)；
所述校准公式为
Figure GDA0002380161140000031
2.3：将仿真得到的第n-1级数字输出Dout(n-1)和步骤2.2得到的第n-1级的模拟输出Vout(n-1)按校准公式进行还原得到第n-1级输入电压Vin(n-1)即第n-2级的模拟输出Vout(n-2)，此时的公式中第n-1级增益为校准之后的第n-1级增益；
2.4：根据步骤2.2和步骤2.3依次还原得到第一级输入电压Vin(1)；
2.5：对还原得到的第一级输入电压Vin(1)进行快速傅立叶变换分析计算得到有效位数；
2.6：对2.2中所取的每一个第n级增益值Gain(n)计算得到的有效位数进行分析，有效位数最大值对应的第n级增益的取值Gain(n)即为校准之后的第n级增益。
本发明的有益效果为：通过本发明提出的校准方法可以显著降低流水线ADC的非线性，改善了高速高精度流水线ADC中传统校准精度低的缺点，具有高效快速准确的特点。
附图说明
图1为流水线ADC的结构图；
图2为流水线ADC第一级量化误差模型；
图3为流水线ADC总量化误差模型；
图4为本发明提供的一种基于最小量化误差流水线ADC的前端校准方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，详细描述本发明的技术方案：
如图2所示，对于N位流水线ADC，信号经过采样保持电路流入第一级Stage1，采样相时信号同时被子ADC和MDAC采样，信号经子ADC比较产生数字输出Di；保持相时，数字码Di经MDAC中DAC还原并与输入信号做差，然后放大产生余差电压Vres。在此过程中，子ADC对输入信号量化会产生量化误差εq。其输入输出关系如下所示：
D＝Vin+εq (3)
Vres＝Gain*εq (4)
在附图2中除第一级外的其他级总量化误差由εqb表示，如公式(5)当经过校准算法校准找到第一级增益Gd1＝G1时，可得还原后的信号与原信号误差为
Figure GDA0002380161140000032
Figure GDA0002380161140000033
在附图3中每级量化误差用εqi表示，i取1至N-1，当经过校准算法校准找到第一到第N-1级增益Gdi＝Gi时，可得还原后的信号与原信号误差为
Figure GDA0002380161140000041
Figure GDA0002380161140000042
由公式(4)可知，当经过校准后，校准出流水线ADC每级增益Gdi与实际增益Gi越接近，Dout与Vin之间误差越小，校准精度越高。
从公式(6)可以发现第一级的量化误差εq1比第二级量化误差εq2对Dout影响大，第三级量化误差εq3比第二级量化误εq2差对Dout影响大，后面几级以此类推。因此，我们从校准第一级增益Gain1开始校准每级增益。
本发明基于MATLAB程序搜索流水线ADC每级增益。
在进行校准之前，先通过模拟仿真流水线ADC电路得到流水线ADC中每一级的数字输出Dout，再根据仿真得到的所述第N级的闪存式ADC的数字输出Dout(Flash)计算所述流水线ADC前N-1级的模拟输出，具体做法为：将仿真得到的闪存式ADC的数字输出Dout(Flash)利用还原公式还原成闪存式ADC的模拟输入Vin(Flash)，闪存式ADC的模拟输入Vin(Flash)即为流水线ADC第N-1级的模拟输出Vout(N-1)；还原公式为
Figure GDA0002380161140000043
其中m为闪存式ADC的位数，Vref为流水线ADC的参考电压。再将第N-1级的增益Gain(N-1)设置为理想值，将仿真得到的第N-1级的数字输出Dout(N-1)和1.1得到的第N-1级的模拟输出Vout(N-1)利用校准公式得到第N-1级输入电压Vin(N-1)即为第N-2级的模拟输出Vout(N-2)；校准公式为
Figure GDA0002380161140000044
其中Ci为流水线ADC的子级ADC内部采样电容；按照上述方法依次得到流水线ADC前N-1级的模拟输出。
当校准流水线ADC第一级增益Gain1时，其他级增益设置为理想增益值，第一级增益Gain1从理想值左右两侧以固定步长取值，其中每一级增益的理想值通过
Figure GDA0002380161140000045
确定；利用得到的第一级的模拟输出Vout1和第一级的数字输出Dout1进行还原得到第一级输入电压Vin1，对还原后的第一级输入电压Vin1进行快速傅立叶变换FFT分析，计算有效位数ENOB。对第一级增益Gain1每个取值计算得到的ENOB进行保存。最终对所有第一级增益取值对应的ENOB进行分析，ENOB最大值所对应的增益值即为第一级增益Gain1。认为此时第一级增益即为第一级实际增益。
对于固定步长的取值，步长越小需要校准的次数越多，校准越精确，但需要时间越长，本实施例取万分之一左右；对于每一级增益从理想值左右两侧以固定步长取值的次数，在不低于一万次时一般不会出错，出错的容忍范围也很大。
对于第二级增益Gain2校准类似。校准第二级增益的时候要把除了第一级的其他级增益设置为理想增益值，第二级增益Gain2从理想值左右两侧以固定步长取值，利用第二级模拟输出Vout2和第二级数字输出Dout2进行还原得到第一级的模拟输出Vout1，然后继续利用校准公式对第一级模拟输出Vout1进行还原得到第一级输入电压Vin1，对Vout1进行还原得到Vin1时用到的第一级增益Gain1是利用已经校准得到的Gain1。对还原后的Vin1进行FFT分析，计算ENOB。对于Gain2每个取值计算得到的ENOB进行保存。最终对所有第二级增益值对应的ENOB进行分析，ENOB最大值所对应的增益值即为第二级增益Gain2。认为此时第二级增益即为第二级实际增益。
对于第三级，第四级以及第N-1级增益校准方法与第二级增益校准方法类似。
当把流水线ADC前N-1级增益校准后，还原得到流水线ADC的输入信号Vin，对还原后的Vin进行FFT分析，计算得到有效位数总谐波失真无杂散动态范围ENOB THD SFDR，即可得知流水线ADC***性能。
综上所述，利用增益校准算法去校准流水线ADC每级增益，具有高效快速准确的特点，能够帮助流水线ADC设计人员快速准确得到ADC模拟部分设计性能能，节约大量时间。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于最小量化误差的流水线ADC的前端校准方法，所述流水线ADC有N级，其中N为大于1的正整数；所述流水线ADC包括前N-1级的子级ADC和第N级的闪存式ADC；其特征在于，
在进行校准之前，通过模拟仿真所述流水线ADC电路得到所述流水线ADC中每一级的数字输出Dout；
根据仿真得到的所述第N级的闪存式ADC的数字输出Dout(Flash)计算所述流水线ADC前N-1级的模拟输出，具体步骤如下：
1.1将仿真得到的闪存式ADC的数字输出Dout(Flash)利用还原公式还原成闪存式ADC的模拟输入Vin(Flash)，所述闪存式ADC的模拟输入Vin(Flash)即为所述流水线ADC第N-1级的模拟输出Vout(N-1)；
所述还原公式为
Figure FDA0002380161130000011
其中m为所述闪存式ADC的位数，Vref为所述流水线ADC的参考电压；
1.2将第N-1级的增益Gain(N-1)设置为理想值，并将仿真得到的第N-1级的数字输出Dout(N-1)和1.1得到的第N-1级的模拟输出Vout(N-1)利用校准公式进行还原得到第N-1级输入电压Vin(N-1)，所述第N-1级输入电压Vin(N-1)即为第N-2级的模拟输出Vout(N-2)；
所述校准公式为
Figure FDA0002380161130000012
其中Ci为流水线ADC的子级ADC内部采样电容；
1.3按照步骤1.2的方法依次得到所述流水线ADC前N-1级的模拟输出；
根据上述步骤得到的所述流水线ADC前N-1级的模拟输出和仿真得到的数字输出校准所述流水线ADC的前N-1级的增益，从所述流水线ADC的第一级增益开始校正，直到依次校正完所述流水线ADC的前N-1级增益为前端校准一次；
其中校正流水线ADC的第n级增益包括如下步骤，其中n取1至N-1中的任意一个正整数：
2.1：将所述流水线ADC中除第一级增益至第n级增益外的其他级增益设置为理想值，而第一级增益至第n-1级增益为校准后的增益；
2.2：对第n级增益从其理想值左右两侧以固定步长依次取值，每取一个第n级增益值Gain(n)按校准公式将第n级模拟输出Vout(n)和第n级数字输出Dout(n)进行还原得到第n级输入电压Vin(n)，所述得到的第n级输入电压Vin(n)为第n-1级的模拟输出Vout(n-1)；
所述校准公式为
Figure FDA0002380161130000021
2.3：将仿真得到的第n-1级数字输出Dout(n-1)和步骤2.2得到的第n-1级的模拟输出Vout(n-1)按校准公式进行还原得到第n-1级输入电压Vin(n-1)即第n-2级的模拟输出Vout(n-2)，此时的公式中第n-1级增益为校准之后的第n-1级增益；
2.4：根据步骤2.2和步骤2.3依次还原得到第一级输入电压Vin(1)；
2.5：对还原得到的第一级输入电压Vin(1)进行快速傅立叶变换分析计算得到有效位数；
2.6：对2.2中所取的每一个第n级增益值Gain(n)计算得到的有效位数进行分析，有效位数最大值对应的第n级增益的取值Gain(n)即为校准之后的第n级增益。
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