JP6076268B2 - パイプラインadc内部ステージ誤差キャリブレーション - Google Patents
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Description
Park et al,"A 10-b lOOMS/s CMOS pipelined ADC with 1.8V power supply," Proc.ISSCC Digest Technical Papers, pp. 130-131, Feb. 2001 McNeill et al,"Split ADC Architecture for Deterministic Digital Background Calibrationof a 16-bit 1-MS/s ADC," IEEE Journal of Solid State Circuits, vol. 40,pp. 2437-2445, Dec. 2005 Li et al,"Background calibration techniques for multistage pipelined ADCs withdigital redundancy," IEEE Trans. Circuits Syst. II, Analog Digit. SignalProcess., vol. 50, no. 9, pp. 531-538, Sep. 2003
(1) Da=D1,a+gaD2,a
(2) Db=D1,b+gbD2,b
ここで、D1,a及びD1,bはステージ(即ち304−1)からの出力であり、D2,a及びD2,bはバックエンドサブADC(即ち、306)からの出力であり、ga及びgbはデジタル乗算器(即ち、312)の利得である。ステージ(即ち、304−1)からの出力D1,a及びD1,bは同じであるべきであり、そのため、差ΔDは下記となり得る。
(3) ΔD=Da−Db=gaD2,a−gbD2,b
デジタル乗算器(即ち、306)に対する最適な解は次の通りである。
ここで、G1,a及びG1,bは内部ステージ利得及び/又はDAC利得誤差を示し、そのため、差が最小二乗平均(LMS)アルゴリズムを用いて最小化されるとき、変数の数がシステムの式の数を超えるため推定曖昧性がある。即ち、推定曖昧性は下記の通りである。
この推定曖昧性に対処するため、調節回路204は、パイプラインADC(即ち、図2の204−1及び204−2)の各々の伝達関数を調節することができ、これらの伝達関数を調節するための方式が幾つかある。
(8) Da=KaD0+OSa
(9) Db=KbD0+OSb
重み付された差δDは、上記式(8)及び(9)を用いて次のように定義することができる。
(10) δD≡KDa−Db+OS=(KKa−Kb)D0+(OS+OSa−OSb)
ここで、K及びOSはミスマッチ補償器308に対する利得及びオフセット調節である。その結果のコスト関数Jは下記となり得る。
(11) J=δD2
ミスマッチ補償器に対する利得調節K及びオフセット調節OSは、下記のように収束する。
(12) K=Kb/Ka
(13) OS=OSb−OSa
コスト関数Jの最小化はゼロとなり得、利得及びオフセットミスマッチが補償され得ることを示す。このコスト関数を適応性推定(これは内部ステージ利得誤差及び/又はDAC利得誤差に対する推定を含む)に展開すると、出力信号Da及びDbは下記となる。
(14) Da=Ka(D1,a+gaD2,a)+OSa
(15) Db=Kb(D1,b+gaD2,b)+OSb
その後、LMSアルゴリズムが(式(14)及び(15)の出力信号Da及びDbを用いる上記式(11)の)コスト関数Jに適用され得、下記式となる。
チャネルミスマッチをモデル化するため、0.05%利得ミスマッチ及び10LSBオフセットミスマッチが導入された。図8A及び図8Bにおいて、キャリブレーション前後のSFDRが示されており、SFDRは74dBから113dBまで改善されることが分かる。また、パイプラインADC202−1及び202−2の各々に対するデジタル乗算器(即ち、312)の収束曲線を図9において見ることができ、4分の1LSBシフト(これは一層長い収束時間となる)の代わりに1/10LSBシフトを用いるときの約40,000個のサンプルでの収束を示し、これは、任意の他の既知のアプローチより約100倍速く、(幾つかのエネルギーフリーアプローチとは異なり)制約がない。
Claims (19)
- 装置であって、
複数のパイプラインアナログデジタルコンバータ(ADC)であって、各パイプラインADCがアナログ入力信号を受け取るように適合され、各パイプラインADCが調節可能な伝達関数を有し、各パイプラインADCが、補償器と、シーケンスに互いに結合される複数のステージと、前記シーケンスの最終ステージに結合されるバックエンドサブADCとを含む、前記複数のパイプラインADCと、
各パイプラインADCに結合される調節回路であって、推定曖昧性を概してなくすように各パイプラインADCに対して前記伝達関数を調節し、デジタルアナログコンバータ(DAC)利得誤差を含む内部ステージ誤差を推定し、前記内部ステージ誤差を補償するため各パイプラインADCに対して前記補償器を調節する、前記調節回路と、
を含む、装置。 - 請求項1に記載の装置であって、
各補償器が、
そのパイプラインADCの前記シーケンスの各ステージに結合されるデジタル加算器と、
前記バックエンドサブADCと前記デジタル加算器との間に結合され、前記調節回路に結合されるデジタル乗算器と、
を更に含み、
前記調節回路が、前記内部ステージ誤差を補償するように前記デジタル乗算器に対して利得を調節する、装置。 - 請求項2に記載の装置であって、
各パイプラインADCのための各ステージが、
入力端子と、
前記入力端子に結合されるサブADCと、
前記サブADCに結合されるDACと、
前記入力端子と前記DACとに結合される相殺器と、
前記相殺器に結合される残存増幅器と、
を更に含む、装置。 - 請求項3に記載の装置であって、
各サブADCが、そのパイプラインADCの前記伝達関数を調節するように、シフトされるように適合される複数のコンパレータを更に含む、装置。 - 請求項4に記載の装置であって、
前記調節回路が、前記パイプラインADCの少なくとも1つの前記第1のステージの前記サブADCを最下位ビット(LSB)の4分の1シフトする、装置。 - 請求項3に記載の装置であって、
前記パイプラインADCのための各ステージが、前記入力端子と前記サブADCとの間に結合されるアナログ乗算器を更に含み、前記アナログ乗算器の利得が前記調節回路により調節される、装置。 - 第1のパイプラインADCと第2のパイプラインADCとを有するADCをキャリブレーションするための方法であって、前記方法が、
前記第1のパイプラインADC内のステージの第1のセットの第1のステージの第1のサブADCのコンパレータの第1のセットを、前記第1のパイプラインADCの第1の伝達関数を調節するために第1の量シフトする工程と、
前記第2のパイプラインADC内のステージの第2のセットの第1のステージの第1のサブADCのコンパレータの第2のセットを、前記第2のパイプラインADCの第2の伝達関数を調節するために第2の量シフトする工程と、
コンパレータの前記第1のセットとコンパレータの前記第2のセットとがシフトされると前記ADCに対する内部ステージ誤差を推定する工程であって、前記内部ステージ誤差が、内部ステージ誤差とDAC利得誤差とのうちの少なくとも1つを含む、前記推定する工程と、
前記内部ステージ誤差を補償するために前記第1のパイプラインADCの第1の補償器と前記第2のパイプラインADCの第2の補償器とを調節する工程であって、前記第1の補償器が前記ステージの第1のセット内のステージの各々に結合され、前記第2の補償器が前記ステージの第2のセット内のステージの各々に結合される、前記調節する工程と、
を含む、方法。 - 請求項7に記載の方法であって、
前記調節する工程が、
前記第1のパイプラインADCの第1のデジタル乗算器の第1の利得を調節することと、
前記第1のパイプラインADCの第1のバックエンドサブADCからのデジタル出力を前記第1の利得で乗算することと、
前記第2のパイプラインADCの各ステージに対する及び前記第1のデジタル乗算器に対するデジタル出力を共に加算することと、
前記第2のパイプラインADCの第2のデジタル乗算器の第2の利得を調節することと、
前記第2のパイプラインADCの第2のバックエンドサブADCからのデジタル出力を前記第2の利得で乗算することと、
前記第2のパイプラインADCの各ステージに対する及び前記第2のデジタル乗算器に対するデジタル出力を共に加算することと、
を更に含む、方法。 - 請求項8に記載の方法であって、
前記方法が、
前記第1及び第2のパイプラインADC間の利得ミスマッチを推定することと、
前記第1及び第2のパイプラインADC間のオフセットミスマッチを推定することと、
前記利得及びオフセットミスマッチを補償することと、
を更に含む、方法。 - 請求項9に記載の方法であって、
前記第1及び第2の量がLSBの4分の1である、方法。 - 装置であって、
第1の伝達関数を有する第1のパイプラインADCであって、
アナログ入力信号を受け取るように適合される第1のトラックアンドホールド(T/H)回路と、
第1のシーケンスに互いに結合されるステージの第1のセットであって、前記第1のシーケンスの第1のステージが前記第1のT/H回路に結合され、前記ステージの第1のセットからの前記ステージの少なくとも1つが第1の伝達関数を調節するように調節可能である、前記ステージの第1のセットと、
前記第1のシーケンスの最終ステージに結合される第1のバックエンドサブADCと、
前記ステージの第1のセットから各ステージと前記第1のバックエンドサブADCとに結合される第1の補償器と、
を有する、前記第1のパイプラインADCと、
第2の伝達関数を有する第2のパイプラインADCであって、
前記アナログ入力信号を受け取るように適合される第2のT/H回路と、
第2のシーケンスに互いに結合されるステージの第2のセットであって、前記第2のシーケンスの第1のステージが前記第2のT/H回路に結合され、前記ステージの第2のセットからの前記ステージの少なくとも1つが、第2の伝達関数を調節するように調節可能である、前記ステージの第2のセットと、
前記第2のシーケンスの最終ステージに結合される第2のバックエンドサブADCと、
前記ステージの第2のセットから各ステージと前記第2のバックエンドサブADCとに結合される第2の補償器と、
を有する、前記第2のパイプラインADCと、
前記第1及び第2の伝達関数を調節するように前記第1及び第2のパイプラインADCに結合され、且つ、前記第1及び第2の補償器に結合される調節回路であって、内部ステージ利得誤差とDAC利得誤差とのうちの少なくとも1つを含む内部ステージ誤差を推定し、前記内部ステージ誤差を補償するように前記第1及び第2の補償器を調節する、前記調節回路と、
を含む、装置。 - 請求項11に記載の装置であって、
前記第1の補償器が、
前記ステージの第1のセットから各ステージに結合される第1のデジタル加算器と、
前記第1のバックエンドサブADCと前記第1のデジタル加算器との間に結合され、前記調節回路に結合される、第1のデジタル乗算器と、
を更に含む、装置。 - 請求項12に記載の装置であって、
前記第2の補償器が、
前記ステージの第2のセットから各ステージに結合される第2のデジタル加算器と、
前記第2のバックエンドサブADCと前記第2のデジタル加算器との間に結合され、前記調節回路に結合される、第2のデジタル乗算器と、
を更に含む、装置。 - 請求項13に記載の装置であって、
前記ステージの第1及び第2のセットからの各ステージが、
入力端子と、
前記入力端子に結合されるサブADCと、
前記サブADCに結合されるDACと、
前記入力端子と前記DACとに結合される相殺器と、
前記相殺器に結合される残存増幅器と、
を更に含む。 - 請求項14に記載の装置であって、
各サブADCが複数のコンパレータを有するフラッシュADCを更に含み、前記コンパレータの各々がシフトされるように適合される、装置。 - 請求項15に記載の装置であって、
前記調節回路が、前記パイプラインADCの少なくとも1つの前記第1のステージの前記サブADCをLSBの4分の1シフトする、装置。 - 請求項16に記載の装置であって、
前記第1及び第2のデジタル加算器に結合される出力回路を更に含む、装置。 - 請求項17に記載の装置であって、
前記第1のパイプラインADCが、前記第1のT/H回路と前記ステージの第1のセットの前記第1のステージとの間に結合される第1のミスマッチ補償器を更に含み、
前記第2のパイプラインADCが、前記第2のT/H回路と前記ステージの第2のセットの前記第1のステージとの間に結合される第2のミスマッチ補償器を更に含み、
前記調節回路が、前記第1及び第2のパイプラインADC間の利得及びオフセットのミスマッチを推定し、前記第1及び第2のミスマッチ補償器を調節する、装置。 - 請求項18に記載の装置であって、
前記調節回路が、最小二乗平均(LMS)を用いて、前記内部ステージ誤差と前記利得ミスマッチと前記オフセツトミスマッチとを推定する、装置。
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