摘要：數(shù)字校準(zhǔn)是高速高精度流水線ADC設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。文章提出了一種可通過(guò)校準(zhǔn)控制生成測(cè)試信號(hào)，自動(dòng)計(jì)算權(quán)重來(lái)對(duì)流水線ADC中電容失配進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)。該技術(shù)能有效地減小增益有限、電荷注入等非理想因素的影響，使校準(zhǔn)輸出后的數(shù)據(jù)擁有更高的準(zhǔn)確度，提高了系統(tǒng)的線性度。

0 引言

模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)是聯(lián)系模擬世界與數(shù)字系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在不同的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)ADC的性能需求也不同。在近年的國(guó)際固態(tài)電路大會(huì)(ISSCC)上發(fā)表的相當(dāng)多的關(guān)于高速高精度ADC的文章表明，流水線ADC已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。流水線ADC采用流水作業(yè)的方式，在采樣速率和轉(zhuǎn)換精度上較其它類型的ADC有較大的優(yōu)勢(shì)，但是流水線ADC中存在電容失配、比較器失調(diào)、非理想運(yùn)放、工藝誤差等非理想因素，當(dāng)流水線ADC的轉(zhuǎn)換精度達(dá)到12位以上時(shí)，這些非理想因素對(duì)其性能有較大影響。傳統(tǒng)的模擬電路校準(zhǔn)技術(shù)已無(wú)法滿足高精度的要求，而近年來(lái)隨著數(shù)字系統(tǒng)的高速發(fā)展，采用數(shù)字方式對(duì)誤差進(jìn)行校準(zhǔn)已經(jīng)成為大趨勢(shì)。數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

本文針對(duì)14位250MSPS流水線ADC中的數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行了研究，并提出了相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方案。本方案無(wú)需修改各級(jí)MDAC模擬電路，只需在比較器輸入端添加一個(gè)多位選擇器即可實(shí)現(xiàn)，可滿足流水線ADC對(duì)高線性度、高精度的要求，簡(jiǎn)單可靠、易于實(shí)現(xiàn)。

1 流水線ADC基本結(jié)構(gòu)及誤差源

流水線ADC工作在兩相不重疊時(shí)鐘(采樣時(shí)鐘和保持時(shí)鐘)下，用以控制各級(jí)MDAC在采樣階段和放大階段之間交替工作。各級(jí)MDAC包含低精度子ADC、子DAC、減法電路及增益電路。在采樣時(shí)鐘控制下，輸入的模擬信號(hào)被輸送到子ADC的比較器上，產(chǎn)生多位數(shù)字輸出Di及相應(yīng)的模擬估計(jì)值，減法電路實(shí)現(xiàn)輸入Vin與估計(jì)值的差值，所得余量電壓在放大階段通過(guò)增益放大電路放大，其模擬輸出作為下一級(jí)MDAC的模擬輸入。流水線ADC整體框架如圖1所示。

常見(jiàn)的流水線MDAC結(jié)構(gòu)主要有1bit/stage、1.5bit/stage、3bit/stage和多bit/stage 4種，本文采用的是1.5bit/stage或其相似的結(jié)構(gòu)。1.5bit/stage結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)相比，擁有可以容忍更大的失調(diào)電壓等許多優(yōu)點(diǎn)，其余量傳輸曲線如圖2所示，實(shí)線為理想情況，虛線表示實(shí)際曲線。

從圖2可以看出，實(shí)際余量傳輸曲線與理想余量傳輸曲線發(fā)生了偏移，這是由諸多的非理想因素造成的。如比較器失調(diào)誤差可使余量曲線閾值電壓左右偏移，運(yùn)放的有限增益使得余量曲線斜率不等于2，電容失配導(dǎo)致余量曲線中曲線斜率改變和左右偏移，開(kāi)關(guān)溝道電荷注入誤差引起余量曲線整體上下偏移等。這些非理想因素影響流水線各級(jí)MDAC的轉(zhuǎn)換精度，且逐級(jí)放大，最終導(dǎo)致失調(diào)或失碼誤差。

2 校準(zhǔn)原理及實(shí)現(xiàn)方案

觀察圖2可以看出，由于各種非理想效應(yīng)的存在，傳輸曲線在跳變點(diǎn)處的實(shí)際權(quán)重與理想權(quán)重產(chǎn)生偏差，理想的權(quán)重表現(xiàn)在余量曲線上為S0-S1，而實(shí)際的權(quán)重為S0'-S1'，權(quán)重的差值導(dǎo)致數(shù)字輸出產(chǎn)生相應(yīng)的失調(diào)或失碼誤差。本文采用的校準(zhǔn)思路是基于計(jì)算跳變點(diǎn)實(shí)際高度的測(cè)量。在1.5bitMDAC里，其數(shù)字輸出有00、01、10三種情況，對(duì)應(yīng)兩個(gè)權(quán)重wi(i=0，1)。本級(jí)的總的數(shù)字輸出是后級(jí)數(shù)字輸出與本級(jí)數(shù)字碼對(duì)應(yīng)的權(quán)重累加之和。如式(1)所示，Di_out為第i級(jí)到第N級(jí)產(chǎn)生的總的數(shù)字輸出，Di為第i級(jí)生成的數(shù)字輸出。

此技術(shù)在操作過(guò)程中有“權(quán)重測(cè)量”和“數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換”兩種狀態(tài)。權(quán)重測(cè)量包含兩個(gè)步驟，在采樣時(shí)鐘控制下強(qiáng)制第i級(jí)MDAC接入比較器閾值電Vi_in=-1/4Vref，且令Di=00，產(chǎn)生的余量電壓Vres1'經(jīng)過(guò)后級(jí)MDAC生成的數(shù)字碼為S0'。在保持時(shí)鐘控制下強(qiáng)制第i級(jí)MDAC接入比較器閾值電Vi_in=-1/4Vref且令Di=01，產(chǎn)生的余量電壓Vres2'經(jīng)過(guò)后MDAC生成的數(shù)字碼為S1'。理想情況下Vres1'-Vres2'=1/2*Vref，而實(shí)際情況下Vres1’-Vres2’=(1/2*Vref+△ε)，即兩者之間存在一差值電壓△ε。對(duì)應(yīng)的數(shù)字輸出差值D(△ε)=(S0’-S1’)-D(1/2*Vref)，D(1/2*Vref)已知，(S0’-S1’)可由計(jì)算得出，故可得出第i級(jí)MDAC對(duì)應(yīng)的D(△εi)。我們可通過(guò)重復(fù)1024次再求平均值的方法來(lái)提高精度。因此我們得到實(shí)際的數(shù)據(jù)變換數(shù)字輸出如下：

本文具體的實(shí)現(xiàn)方案如圖3所示。數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)由寄存器、加法器、移位器等組成，包含控制模塊、權(quán)重測(cè)量、正常數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及用于存儲(chǔ)器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的寄存器四部分。系統(tǒng)由控制模塊進(jìn)行控制，可工作在兩個(gè)工作模式下。在Calibration模式下控制模塊發(fā)出測(cè)試信號(hào)輸入到ADC模擬部分，生成的數(shù)字輸出經(jīng)由權(quán)重測(cè)量模塊測(cè)得誤差系數(shù)，存儲(chǔ)到寄存器中。在Normal模式下進(jìn)行正常的數(shù)字轉(zhuǎn)換時(shí)調(diào)用這些系數(shù)來(lái)進(jìn)行數(shù)字校準(zhǔn)，得到經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后的較精確的數(shù)字輸出。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在ADC數(shù)字校準(zhǔn)算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，流水線ADC采用3.5bit+2.5bit(溢出)+1.5bit+1.5bit(溢出+4級(jí))1.5bit+3bit flash 14位九級(jí)結(jié)構(gòu)的MDAC，如圖4所示。在進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，前級(jí)實(shí)際權(quán)重的獲得需要使用已經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的后級(jí)進(jìn)行估算，在對(duì)第i級(jí)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，需要其后級(jí)已經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，可以看做滿足線性度的理想ADC，因此整個(gè)校準(zhǔn)從后向前逐級(jí)進(jìn)行。本研究先校準(zhǔn)第二級(jí)MDAC，然后再校準(zhǔn)第一級(jí)MDAC，對(duì)兩級(jí)MDAC共7bit2拄行數(shù)字校準(zhǔn)，最終得到校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)。校準(zhǔn)前和校準(zhǔn)后的ADC的SNR特性曲線如圖5所示。

由圖5(a)、圖5(b)可以看出，校準(zhǔn)前ADC電容失配值設(shè)置為1%，比較器失調(diào)為1%，在200MHZ的采樣頻率下，對(duì)一個(gè)正弦信號(hào)采樣，校準(zhǔn)前流水線ADC的SNR受諧波失真影響，為78.01dB，校準(zhǔn)后SNR上升到81.21dB，所有的諧波都下降到-90dB以下。校準(zhǔn)后總諧波失真由-65.05 dB下降到-88.59dB。可見(jiàn)，通過(guò)數(shù)字校準(zhǔn)后，整個(gè)流水線ADC的線性度有了很大的提高。

4 結(jié)論

本文研究了一種適用于流水線ADC的數(shù)字校準(zhǔn)算法，并提出了相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方案。本方案對(duì)模擬電路更改較少，而數(shù)字電路里無(wú)需使用數(shù)字校準(zhǔn)中常用的乘法器或除法器。速度較快，簡(jiǎn)單可靠且容易實(shí)現(xiàn)。