高速比較器直流失調(diào)數(shù)字輔助自校準(zhǔn)系統(tǒng)及控制方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種高速比較器直流失調(diào)數(shù)字輔助自校準(zhǔn)系統(tǒng)及控制方法：系統(tǒng)由含補(bǔ)償電流源陣列的可配置比較器、自校準(zhǔn)數(shù)字算法模塊和時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生電路構(gòu)成。自校準(zhǔn)數(shù)字算法模塊可根據(jù)可配置比較器的輸出數(shù)字，采用有符號(hào)編碼方式產(chǎn)生兩組數(shù)字信號(hào)以控制補(bǔ)償電流源陣列的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，進(jìn)而校準(zhǔn)比較器的直流失調(diào)電壓直至可調(diào)節(jié)精度范圍內(nèi)。比較器中預(yù)放大級(jí)的帶寬可配置以?xún)?yōu)化不同采樣率下的功耗。
【專(zhuān)利說(shuō)明】高速比較器直流失調(diào)數(shù)字輔助自校準(zhǔn)系統(tǒng)及控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器校準(zhǔn)領(lǐng)域，特別涉及一種高速比較器直流失調(diào)數(shù)字 輔助自校準(zhǔn)裝置及控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 比較器作為模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的核心模塊，如Flash型、逐次逼近型、流水線型、過(guò) 采樣型等，其性能指標(biāo)，如速度、精度等直接影響模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的信噪比、無(wú)雜散動(dòng)態(tài) 范圍、非線性誤差等特性。在超高速模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器中，高速高精度比較器的設(shè)計(jì)也是整 個(gè)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，同時(shí)還要考慮到模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的功耗問(wèn)題。
[0003] 簡(jiǎn)單的比較器可以使用高增益的開(kāi)關(guān)運(yùn)放來(lái)實(shí)現(xiàn)，但由于運(yùn)放的帶寬限制，其增 益會(huì)迅速下降，不適用于高速應(yīng)用中。而再生鎖存結(jié)構(gòu)比較器采用正反饋結(jié)構(gòu)，其速度非常 高，但存在很大的直流失調(diào)電壓，影響了比較器的精度。結(jié)合開(kāi)環(huán)運(yùn)放的高增益和再生鎖存 結(jié)構(gòu)的高速度，比較器采用預(yù)放大級(jí)、可再生比較級(jí)模塊和SR鎖存級(jí)模塊三級(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)， 既可實(shí)現(xiàn)低的直流失調(diào)電壓和高的轉(zhuǎn)換速度。
[0004] 要實(shí)現(xiàn)高精度模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，比較器的直流失調(diào)要低于最低有效位，級(jí)聯(lián)結(jié) 構(gòu)中需要多級(jí)預(yù)放大級(jí)進(jìn)行失調(diào)校準(zhǔn)，這樣消耗的功耗也比較大。目前研究中也采用校準(zhǔn) 技術(shù)去減小比較器的直流失調(diào)。
[0005] 由于所需的預(yù)放大級(jí)的帶寬與采樣信號(hào)成正比，因此在高采樣頻率的情況下，預(yù) 放大級(jí)要消耗很大的功耗，此時(shí)工作在低采樣率下時(shí)，浪費(fèi)大量的功耗。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] (-）要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0007] 本發(fā)明的目的在于解決放大器在低電源電壓下，帶寬不夠，驅(qū)動(dòng)能力不強(qiáng)的問(wèn)題。
[0008] (二）技術(shù)方案
[0009] 本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0010] 一種高速比較器直流失調(diào)數(shù)字輔助自校準(zhǔn)系統(tǒng)，包含以下模塊：
[0011] 可配置比較器模塊100,其輸出信號(hào)傳遞給自校準(zhǔn)模塊200 ;
[0012] 自校準(zhǔn)模塊200,接收可配置比較器模塊100的輸出信號(hào)，用于產(chǎn)生輸出信號(hào)控制 可配置比較器模塊100的直流失調(diào)電壓直至可調(diào)節(jié)精度范圍內(nèi)。
[0013] 優(yōu)選的，可配置比較器模塊100具有以下結(jié)構(gòu)：
[0014] 開(kāi)關(guān)，用于控制可配置預(yù)放大級(jí)模塊110的輸入電壓端；
[0015] 可配置預(yù)放大級(jí)模塊110,用于提供低頻增益信號(hào)；
[0016] 補(bǔ)償電流源陣列模塊140,用于補(bǔ)償可配置預(yù)放大級(jí)模塊110的直流失調(diào)；
[0017] 可再生比較級(jí)模塊120,用于接收可配置預(yù)放大級(jí)模塊110和補(bǔ)償電流源陣列模 塊140的模擬信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；
[0018] SR鎖存級(jí)模塊130,用于輸出電平信號(hào)至自校準(zhǔn)模塊200。
[0019] 優(yōu)選的，可配置預(yù)放大級(jí)模塊110,用于提供低頻增益，多跨導(dǎo)單元并聯(lián)連接，差分 輸入端和差分參考電壓端分別接多跨導(dǎo)單元差分輸入電壓端，差分輸出端分別接多跨導(dǎo)單 兀差分輸出電壓端。
[0020] 優(yōu)選的，跨導(dǎo)單元采用雙差分輸入結(jié)構(gòu)。
[0021] 優(yōu)選的，補(bǔ)償電流源陣列模塊140,用于校準(zhǔn)比較器的直流失調(diào)電壓至可調(diào)節(jié)精度 范圍內(nèi)，該補(bǔ)償陣列由數(shù)控開(kāi)關(guān)控制的二進(jìn)制加權(quán)電流源單元構(gòu)成，具有如下結(jié)構(gòu)：
[0022] 至少由1組二進(jìn)制加權(quán)電流源陣列組成，并且每個(gè)二進(jìn)制加權(quán)電流源在正極通過(guò) 兩個(gè)數(shù)控開(kāi)關(guān)分別與可配置預(yù)放大級(jí)模塊110的兩個(gè)差分輸出端分別相連、進(jìn)制加權(quán)電流 源的負(fù)極接地。
[0023] 優(yōu)選的，自校準(zhǔn)模塊200,用于產(chǎn)生輸出信號(hào)控制補(bǔ)償電流源陣列模塊140中的數(shù) 控開(kāi)關(guān)，使直流失調(diào)電壓調(diào)節(jié)至可調(diào)節(jié)精度范圍內(nèi)，該模塊由多位計(jì)數(shù)器模塊210和符號(hào) 譯碼器220組成。
[0024] -種高速比較器直流失調(diào)數(shù)字輔助自校準(zhǔn)系統(tǒng)的控制方法，包含以下步驟：
[0025] 使用可配置比較器模塊100,將其輸出信號(hào)傳遞給自校準(zhǔn)模塊200 ;
[0026] 使用自校準(zhǔn)模塊200,接收可配置比較器模塊100的輸出信號(hào)，將其產(chǎn)生的輸出信 號(hào)控制可配置比較器模塊100的直流失調(diào)電壓直至可調(diào)節(jié)精度范圍內(nèi)。
[0027] 優(yōu)選的，所述可配置比較器模塊100產(chǎn)生的控制信號(hào)為：
[0028] 高電平時(shí)，使比較器預(yù)放大級(jí)110的差分輸入端與差分參考電壓端短接，并分別 與差分參考電壓相連，自動(dòng)校準(zhǔn)比較器直流失調(diào)直至在可調(diào)節(jié)精度范圍內(nèi)；
[0029] 低電平時(shí)，使比較器預(yù)放大級(jí)110的差分輸入端分別與差分輸入電壓相連，計(jì)數(shù) 器模塊210保持上一次自動(dòng)校準(zhǔn)后的控制字，比較器正常工作。
[0030] 優(yōu)選的，控制可配置比較器模塊100的方法為，自校準(zhǔn)模塊200根據(jù)配置比較器模 塊100產(chǎn)生的電平信號(hào)發(fā)出時(shí)序信號(hào)，制補(bǔ)償電流源陣列模塊140中的數(shù)控開(kāi)關(guān)，使直流失 調(diào)電壓調(diào)節(jié)至可調(diào)節(jié)精度范圍內(nèi)。
[0031] 優(yōu)選的，自校準(zhǔn)模塊的控制方法采用符號(hào)編碼方式控制。
[0032] (三）有益效果
[0033] 本發(fā)明提出一種高速比較器直流失調(diào)數(shù)字輔助自校準(zhǔn)裝置及算法，內(nèi)含補(bǔ)償電流 源陣列模塊，采用數(shù)字輔助自校準(zhǔn)方式來(lái)自動(dòng)校準(zhǔn)比較器的直流失調(diào)電壓直至可調(diào)節(jié)精度 范圍內(nèi)，可適用于高精度、高速模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器中，同時(shí)該比較器預(yù)放大級(jí)的帶寬可配 置，以?xún)?yōu)化不同采樣率下的功耗。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0034] 圖1是本發(fā)明的比較器直流失調(diào)校準(zhǔn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；
[0035] 圖2是本發(fā)明的可配置預(yù)放大級(jí)模塊電路結(jié)構(gòu)圖；
[0036] 圖3是本發(fā)明的可配置預(yù)放大級(jí)模塊中跨導(dǎo)單元電路結(jié)構(gòu)圖；
[0037] 圖中：100-可配置比較器模塊；110-可配置預(yù)放大級(jí)模塊；120-可再生比較級(jí)模 塊；130-SR鎖存級(jí)模塊；140-補(bǔ)償電流源陣列模塊；200-自校準(zhǔn)模塊；210-計(jì)數(shù)器模塊； 220-編碼器模塊。

【具體實(shí)施方式】
[0038] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅 用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。
[0039] 如圖1發(fā)明的比較器直流失調(diào)校準(zhǔn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，本發(fā)明采用圖1結(jié)構(gòu)。
[0040] 實(shí)施例
[0041] 一種高速比較器直流失調(diào)數(shù)字輔助自校準(zhǔn)系統(tǒng)，如圖1所示，及控制方法，由可配 置比較器模塊100、自校準(zhǔn)模塊200和時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生電路構(gòu)成。可配置比較器模塊100的負(fù) 數(shù)字輸出D w經(jīng)過(guò)與門(mén)A1后的輸出信號(hào)EN，作為自校準(zhǔn)模塊200的輸入信號(hào)，本發(fā)明使用 SP[X:0]、SN[X:0]符號(hào)表示數(shù)字信號(hào)，其中"X^示信號(hào)位數(shù)，"0"位數(shù)為0，S P[X:0]、SN[X:0] 表示SP、SN的第X位都為0。自校準(zhǔn)模塊200產(chǎn)生的4位輸出數(shù)據(jù)S P[3:0]、SN[3:0]控制可 配置比較器模塊100中的補(bǔ)償模塊，進(jìn)而校準(zhǔn)比較器的直流失調(diào)電壓直至可調(diào)節(jié)精度范圍 內(nèi)。
[0042] 可配置比較器模塊100由開(kāi)關(guān)SW1-SW4、可配置預(yù)放大級(jí)模塊110、可再生比較級(jí) 模塊120、SR鎖存級(jí)模塊130和補(bǔ)償電流源陣列模塊140構(gòu)成。第一開(kāi)關(guān)SW1、第三開(kāi)關(guān)SW3 分別接差分輸入電壓和可配置預(yù)放大級(jí)模塊110的差分信號(hào)輸入端；第二開(kāi)關(guān)SW2、第四開(kāi) 關(guān)SW4分別接可配置預(yù)放大級(jí)模塊110的差分輸入端和差分參考電壓，且與可配置預(yù)放大 級(jí)模塊110的差分參考電壓端相連?？膳渲妙A(yù)放大級(jí)110、可再生比較級(jí)模塊120和SR鎖 存級(jí)模塊130級(jí)聯(lián)連接，且補(bǔ)償電流源陣列模塊140的輸出電流端接可配置預(yù)放大級(jí)110 的差分輸出電壓。
[0043] 補(bǔ)償電流源陣列模塊140由開(kāi)關(guān)控制的二進(jìn)制加權(quán)電流源單元構(gòu)成，其電路結(jié)構(gòu) 如下：開(kāi)關(guān)S P0-SP3、SN0-SN3的一端相連，共同連接端接電流源11-14,另一端分別接補(bǔ)償電 流源陣列300的輸出電流端。
[0044] 自校準(zhǔn)模塊200包括計(jì)數(shù)器模塊210和有符號(hào)譯碼器220。本發(fā)明采用5位計(jì)數(shù) 器模塊，5位計(jì)數(shù)器模塊根據(jù)數(shù)據(jù)EN進(jìn)行加1計(jì)數(shù)，其5位數(shù)字輸出經(jīng)過(guò)有符號(hào)譯碼器220 按照有符號(hào)譯碼方式得到兩組4位數(shù)字輸出，控制可配置比較器模塊100中補(bǔ)償電流源陣 列模塊 140 的開(kāi)關(guān) SP0-SP3、Sn0-Sn3。
[0045] 當(dāng)控制信號(hào)TR為高電平，第一開(kāi)關(guān)SW1、第三開(kāi)關(guān)SW3斷開(kāi)，第二開(kāi)關(guān)SW2、第四開(kāi) 關(guān)SW4閉合時(shí)，可配置預(yù)放大級(jí)模塊110的差分輸入端與差分參考電壓端短接，并分別與差 分參考電壓RF P、RFN相連，自動(dòng)校準(zhǔn)比較器直流失調(diào)直至在可調(diào)節(jié)精度范圍內(nèi)；當(dāng)控制信號(hào) TR為低電平，第一開(kāi)關(guān)SW1、第三開(kāi)關(guān)SW3閉合，第二開(kāi)關(guān)SW2、第四開(kāi)關(guān)SW4斷開(kāi)時(shí)，可配置 預(yù)放大級(jí)模塊110的差分輸入端分別與差分輸入電壓IN P、INn相連，計(jì)數(shù)器模塊210保持上 一次自動(dòng)校準(zhǔn)后的控制字，比較器正常工作。
[0046] 比較器輸入直流失調(diào)電壓可調(diào)節(jié)精度為：
[0047]

【權(quán)利要求】
1. 一種高速比較器直流失調(diào)數(shù)字輔助自校準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于包含以下模塊： 可配置比較器模塊（100 )，其輸出信號(hào)傳遞給自校準(zhǔn)模塊（200); 自校準(zhǔn)模塊（200)，接收可配置比較器模塊（100)的輸出信號(hào)，用于產(chǎn)生輸出信號(hào)控制 可配置比較器模塊（100)的直流失調(diào)電壓直至可調(diào)節(jié)精度范圍內(nèi)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速比較器直流失調(diào)數(shù)字輔助自校準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所 述的可配置比較器模塊（100)具有以下結(jié)構(gòu) ： 開(kāi)關(guān)，用于控制可配置預(yù)放大級(jí)模塊（110)的輸入電壓端； 可配置預(yù)放大級(jí)模塊（110)，用于提供低頻增益信號(hào)； 補(bǔ)償電流源陣列模塊（140)，用于補(bǔ)償可配置預(yù)放大級(jí)模塊（110)的直流失調(diào)； 可再生比較級(jí)模塊（120)，用于接收可配置預(yù)放大級(jí)模塊（110)和補(bǔ)償電流源陣列模 塊（140)的模擬信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)； SR鎖存級(jí)模塊（130 )，用于輸出電平信號(hào)至自校準(zhǔn)模塊（200 )。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高速比較器直流失調(diào)數(shù)字輔助自校準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所 述的可配置預(yù)放大級(jí)模塊（110)，用于提供低頻增益，多跨導(dǎo)單元并聯(lián)連接，差分輸入端和 差分參考電壓端分別接多跨導(dǎo)單元差分輸入電壓端，差分輸出端分別接多跨導(dǎo)單元差分輸 出電壓端。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高速比較器直流失調(diào)數(shù)字輔助自校準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所 述的跨導(dǎo)單元采用雙差分輸入結(jié)構(gòu)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高速比較器直流失調(diào)數(shù)字輔助自校準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所 述的補(bǔ)償電流源陣列模塊（140)，用于校準(zhǔn)比較器的直流失調(diào)電壓至可調(diào)節(jié)精度范圍內(nèi)，該 補(bǔ)償陣列由數(shù)控開(kāi)關(guān)控制的二進(jìn)制加權(quán)電流源單元構(gòu)成，具有如下結(jié)構(gòu)： 至少由1組二進(jìn)制加權(quán)電流源陣列組成，并且每個(gè)二進(jìn)制加權(quán)電流源在正極通過(guò)兩個(gè) 數(shù)控開(kāi)關(guān)分別與可配置預(yù)放大級(jí)模塊（110)的兩個(gè)差分輸出端分別相連、進(jìn)制加權(quán)電流源 的負(fù)極接地。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速比較器直流失調(diào)數(shù)字輔助自校準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所 述的自校準(zhǔn)模塊（200)，用于產(chǎn)生輸出信號(hào)控制補(bǔ)償電流源陣列模塊（140)中的數(shù)控開(kāi)關(guān)， 使直流失調(diào)電壓調(diào)節(jié)至可調(diào)節(jié)精度范圍內(nèi)，該模塊由多位計(jì)數(shù)器模塊（210)和符號(hào)譯碼器 (220)組成。
7. -種高速比較器直流失調(diào)數(shù)字輔助自校準(zhǔn)系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述方法 包含以下步驟 使用可配置比較器模塊（100 )，將其輸出信號(hào)傳遞給自校準(zhǔn)模塊（200 ); 使用自校準(zhǔn)模塊（200)，接收可配置比較器模塊（100)的輸出信號(hào)，將其產(chǎn)生的輸出信 號(hào)控制可配置比較器模塊（100)的直流失調(diào)電壓直至可調(diào)節(jié)精度范圍內(nèi)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的高速比較器直流失調(diào)數(shù)字輔助自校準(zhǔn)系統(tǒng)的控制方法，其特 征在于，所述可配置比較器模塊（100)產(chǎn)生的控制信號(hào)為： 高電平時(shí)，使比較器預(yù)放大級(jí)（110)的差分輸入端與差分參考電壓端短接，并分別與差 分參考電壓相連，自動(dòng)校準(zhǔn)比較器直流失調(diào)直至在可調(diào)節(jié)精度范圍內(nèi)； 低電平時(shí)，使比較器預(yù)放大級(jí)（110)的差分輸入端分別與差分輸入電壓相連，計(jì)數(shù)器模 塊（210)保持上一次自動(dòng)校準(zhǔn)后的控制字，比較器正常工作。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的高速比較器直流失調(diào)數(shù)字輔助自校準(zhǔn)系統(tǒng)的控制方法，其特 征在于，所述的控制可配置比較器模塊（100)的方法為，自校準(zhǔn)模塊（200)根據(jù)配置比較器 (100)產(chǎn)生的電平信號(hào)發(fā)出時(shí)序信號(hào)，制補(bǔ)償電流源陣列模塊（140)中的數(shù)控開(kāi)關(guān)，使直流 失調(diào)電壓調(diào)節(jié)至可調(diào)節(jié)精度范圍內(nèi)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的高速比較器直流失調(diào)數(shù)字輔助自校準(zhǔn)系統(tǒng)的控制方法，其 特征在于，所述的自校準(zhǔn)模塊（200)控制方法采用符號(hào)編碼方式控制。
【文檔編號(hào)】H03M1/10GK104283558SQ201310284696
【公開(kāi)日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2013年7月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月8日
【發(fā)明者】池保勇, 續(xù)陽(yáng), 王志華 申請(qǐng)人:清華大學(xué)