一種流水線adc的后臺(tái)數(shù)字校準(zhǔn)裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種流水線ADC的后臺(tái)數(shù)字校準(zhǔn)裝置及方法，包括自適應(yīng)濾波器、高精度ADC冗余子級(jí)、數(shù)據(jù)選擇模塊、數(shù)據(jù)分配模塊、多路開關(guān)模塊和控制信號(hào)產(chǎn)生模塊；本發(fā)明首先通過控制信號(hào)產(chǎn)生模塊控制數(shù)據(jù)選擇模塊、數(shù)據(jù)分配模塊及多路開關(guān)模塊，利用高精度ADC冗余子級(jí)及自適應(yīng)濾波器對(duì)流水線ADC第一至第j級(jí)依次進(jìn)行初始化校準(zhǔn)，使流水線ADC能工作于較高精度輸出狀態(tài)；其后，在流水線ADC正常工作期間，控制信號(hào)產(chǎn)生模塊控制各個(gè)模塊對(duì)流水線ADC的第一級(jí)至第j級(jí)進(jìn)行隨機(jī)校準(zhǔn)，以防止因芯片外部環(huán)境和內(nèi)部環(huán)境引起的ADC性能下降。本校準(zhǔn)具有校準(zhǔn)誤差小和校準(zhǔn)精度高的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】—種流水線ADC的后臺(tái)數(shù)字校準(zhǔn)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微電子【技術(shù)領(lǐng)域】的校準(zhǔn)裝置，特別涉及一種流水線ADC的后臺(tái)數(shù)字校準(zhǔn)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]流水線ADC (Analog-to-Digital Converter)作為外部模擬世界與電子系統(tǒng)的接口，是當(dāng)前高速、高位ADC的主流結(jié)構(gòu)，具有高速、高精度的特點(diǎn)，在高分辨率圖像處理、視頻處理以及無線通信等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，成為目前ADC研究熱點(diǎn)之一。但是當(dāng)流水線ADC的精度達(dá)到12位以上時(shí)，由于電容的不匹配、運(yùn)算放大器的輸入端寄生電容、電荷注入、比較器失調(diào)以及工藝偏差等各種因素引起的誤差嚴(yán)重地限制了 ADC的性能，傳統(tǒng)的模擬電路設(shè)計(jì)已經(jīng)很難突破這個(gè)精度的瓶頸，所以在高速、高精度ADC的設(shè)計(jì)中都會(huì)采用校準(zhǔn)技術(shù)。一般校準(zhǔn)技術(shù)分為:數(shù)字校準(zhǔn)和模擬校準(zhǔn)。模擬校準(zhǔn)技術(shù)是在模擬領(lǐng)域把相關(guān)的量調(diào)整到期望值，或者利用激光對(duì)芯片原件進(jìn)行修改，其成本高且容易受到封裝時(shí)機(jī)械應(yīng)力的影響。數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)把電路中的非理性因素，在數(shù)字領(lǐng)域通過一定的校準(zhǔn)調(diào)整，將其調(diào)整到期望值。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)成本低且不容易受外界干擾，成為了現(xiàn)行校準(zhǔn)技術(shù)的主流。
[0003]數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)可以分為兩大類:前臺(tái)數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)和后臺(tái)數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)。前臺(tái)數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)由兩部分組成:估計(jì)參數(shù)和校準(zhǔn)誤差。但是在前臺(tái)校準(zhǔn)的過程中估計(jì)參數(shù)和校正誤差是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的過程，ADC無法同時(shí)進(jìn)行誤差參數(shù)的提取和正常數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，需要打斷ADC的正常工作是前臺(tái)數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)的缺點(diǎn)之一，這一缺點(diǎn)限制了其使用范圍。而后臺(tái)數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)中估計(jì)參數(shù)和校正誤差是同時(shí)進(jìn)行，因此在不需要打斷ADC正常工作的情況下也能夠?qū)崟r(shí)地校準(zhǔn)ADC電路中的非理想因素。
[0004]在數(shù)字后臺(tái)校準(zhǔn)領(lǐng)域中，一種廣泛采用的校準(zhǔn)方法是采用低速高精度的參考ADC作為待校準(zhǔn)ADC的參考輸出，其中該方法需要將待校準(zhǔn)ADC通道的輸入輸出信號(hào)進(jìn)行降頻至與參考ADC通道的輸入輸出信號(hào)同頻率，才能送進(jìn)LMS (Least Mean Square，最小均方)或RLS (Recursive Least Square,遞歸最小二乘法)等自適應(yīng)濾波器中進(jìn)行校準(zhǔn)。但是兩個(gè)不同頻率輸出信號(hào)很難實(shí)現(xiàn)完全同步，在校準(zhǔn)過程中，將為該參考ADC校準(zhǔn)方法帶來較大誤差，從而限制了該方法的應(yīng)用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種流水線ADC的后臺(tái)數(shù)字校準(zhǔn)裝置。該校準(zhǔn)裝置在不影響ADC正常工作的情況下能夠?qū)崟r(shí)地校準(zhǔn)流水線ADC各個(gè)子級(jí)誤差，具有校準(zhǔn)誤差小和校準(zhǔn)精度高的優(yōu)點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種上述流水線ADC的后臺(tái)數(shù)字校準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)方法。
[0007]本發(fā)明的第一目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種流水線ADC的后臺(tái)數(shù)字校準(zhǔn)裝置，包括自適應(yīng)濾波器、高精度ADC冗余子級(jí)、數(shù)據(jù)選擇模塊、數(shù)據(jù)分配模塊、多路開關(guān)模塊和控制信號(hào)產(chǎn)生模塊；
[0008]流水線ADC中第一級(jí)至第j級(jí)的ADC子級(jí)輸入端分別通過數(shù)據(jù)選擇器與高精度ADC冗余子級(jí)輸入端連接，相應(yīng)這些ADC子級(jí)的輸出端分別通過自適應(yīng)濾波器與下一級(jí)ADC子級(jí)輸入端連接；
[0009]所述高精度ADC冗余子級(jí)的輸出端通過數(shù)據(jù)分配模塊分別與連接在ADC子級(jí)之間的各自適應(yīng)濾波器的參考端連接；
[0010]所述各自適應(yīng)濾波器的輸出端通過多路開關(guān)模塊的各路開關(guān)與其參考端連接；
[0011]所述控制信號(hào)產(chǎn)生模塊分別與數(shù)據(jù)選擇模塊、數(shù)據(jù)分配模塊和多路開關(guān)模塊連接，控制各ADC子級(jí)輸入端連接的數(shù)據(jù)選擇模塊通道及其輸出端的自適應(yīng)濾波器連接的數(shù)據(jù)分配模塊通道同時(shí)選通；同時(shí)根據(jù)第一級(jí)至第j級(jí)ADC子級(jí)的校準(zhǔn)狀態(tài)控制多路開關(guān)相應(yīng)通道的選通與關(guān)斷。
[0012]優(yōu)選的，所述j為η-1，η為流水線ADC的總級(jí)數(shù)，即所述流水線ADC中除第η級(jí)外，其它各級(jí)ADC子級(jí)的輸入端分別通過數(shù)據(jù)選擇模塊與高精度ADC冗余子級(jí)輸入端連接，相應(yīng)的這些ADC子級(jí)的輸出端分別通過自適應(yīng)濾波器與下一級(jí)ADC子級(jí)輸入端連接。
[0013]優(yōu)選的，所述自適應(yīng)濾波器為LMS自適應(yīng)濾波器或RLS自適應(yīng)濾波器。
[0014]本發(fā)明的第二目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種流水線ADC的后臺(tái)數(shù)字校準(zhǔn)裝置實(shí)現(xiàn)的校準(zhǔn)方法，包括以下步驟:
[0015](I)模擬信號(hào)經(jīng)過采樣保持放大器采樣后作為流水線ADC第一級(jí)ADC子級(jí)和數(shù)字選擇模塊的輸入；
[0016](2)流水線ADC校準(zhǔn)的初始化:通過控制信號(hào)產(chǎn)生模塊控制流水線ADC從第一級(jí)至第j級(jí)依次逐級(jí)進(jìn)行以下校準(zhǔn)步驟:
[0017](2-1)控制與當(dāng)前所要校準(zhǔn)的ADC子級(jí)輸入端連接的數(shù)據(jù)選擇模塊通道以及與該ADC子級(jí)輸出端的自適應(yīng)濾波器連接的數(shù)據(jù)分配模塊通道同時(shí)選通，同時(shí)控制連接在該ADC子級(jí)輸出端的自適應(yīng)濾波器輸出端和參考端之間的一路開關(guān)斷開，其他自適應(yīng)濾波器的輸出端和參考端之間的各路開關(guān)閉合；
[0018](2-2)當(dāng)前所要校準(zhǔn)的ADC子級(jí)輸入端的信號(hào)同時(shí)通過數(shù)據(jù)選擇模塊當(dāng)前選通的通道輸入到高精度ADC冗余子級(jí)，高精度ADC冗余子級(jí)模塊將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，作為自適應(yīng)濾波器校準(zhǔn)用的參考信號(hào)；
[0019](2-3)高精度ADC冗余子級(jí)輸出的參考信號(hào)通過數(shù)據(jù)分配模塊當(dāng)前選通的通道輸入到與當(dāng)前所要校準(zhǔn)的ADC子級(jí)連接的LMS自適應(yīng)濾波器的參考端，自適應(yīng)濾波器根據(jù)當(dāng)前所要校準(zhǔn)的ADC子級(jí)的輸出信號(hào)和高精度ADC冗余子級(jí)輸出的參考信號(hào)計(jì)算得到誤差信號(hào)，并根據(jù)誤差信號(hào)迭代更新抽頭權(quán)系數(shù)，當(dāng)更新抽頭權(quán)系數(shù)后得到的誤差信號(hào)小于一設(shè)定值X時(shí)，當(dāng)前所要校準(zhǔn)的ADC子級(jí)校準(zhǔn)結(jié)束；
[0020](2-4)當(dāng)前所要校準(zhǔn)的ADC子級(jí)校準(zhǔn)結(jié)束時(shí)，自適應(yīng)濾波器輸出校準(zhǔn)后的信號(hào)給下一級(jí)ADC子級(jí)；返回步驟(2-1 )，針對(duì)下一級(jí)ADC子級(jí)進(jìn)行校準(zhǔn)，同時(shí)控制連接在該ADC子級(jí)輸出端的自適應(yīng)濾波器的輸出端和參考端之間的一路開關(guān)閉合。
[0021]優(yōu)選的，流水線ADC初始化校準(zhǔn)后還包括隨機(jī)校準(zhǔn)步驟，所述隨機(jī)校準(zhǔn)步驟為:通過控制信號(hào)產(chǎn)生模塊控制流水線ADC第一級(jí)至第j級(jí)中隨機(jī)一級(jí)ADC子級(jí)輸入端連接的數(shù)據(jù)選擇模塊通道以及與該ADC子級(jí)輸出端的自適應(yīng)濾波器連接的數(shù)據(jù)分配模塊通道同時(shí)選通；同時(shí)控制連接在該ADC子級(jí)輸出端的自適應(yīng)濾波器輸出端和參考端之間的一路開關(guān)斷開，其他自適應(yīng)濾波器的輸出端和參考端之間的各路開關(guān)閉合；然后通過上述步驟(2-2)至(2-4)對(duì)該ADC子級(jí)進(jìn)行校準(zhǔn)。
[0022]優(yōu)選的，所述步驟(2)中自適應(yīng)濾波器為LMS自適應(yīng)濾波器，所述各ADC子級(jí)輸出信號(hào)經(jīng)過LMS自適應(yīng)濾波器后m時(shí)刻的輸出信號(hào)y (m)為:
【權(quán)利要求】
1.一種流水線ADC的后臺(tái)數(shù)字校準(zhǔn)裝置，其特征在于，包括自適應(yīng)濾波器、高精度ADC冗余子級(jí)、數(shù)據(jù)選擇模塊、數(shù)據(jù)分配模塊、多路開關(guān)模塊和控制信號(hào)產(chǎn)生模塊； 流水線ADC中第一級(jí)至第j級(jí)的ADC子級(jí)輸入端分別通過數(shù)據(jù)選擇器與高精度ADC冗余子級(jí)輸入端連接，相應(yīng)這些ADC子級(jí)的輸出端分別通過自適應(yīng)濾波器與下一級(jí)ADC子級(jí)輸入端連接； 所述高精度ADC冗余子級(jí)的輸出端通過數(shù)據(jù)分配模塊分別與連接在ADC子級(jí)之間的各自適應(yīng)濾波器的參考端連接； 所述各自適應(yīng)濾波器的輸出端通過多路開關(guān)模塊的各路開關(guān)與其參考端連接； 所述控制信號(hào)產(chǎn)生模塊分別與數(shù)據(jù)選擇模塊、數(shù)據(jù)分配模塊和多路開關(guān)模塊連接，控制各ADC子級(jí)輸入端連接的數(shù)據(jù)選擇模塊通道及其輸出端的自適應(yīng)濾波器連接的數(shù)據(jù)分配模塊通道同時(shí)選通；同時(shí)根據(jù)第一級(jí)至第j級(jí)ADC子級(jí)的校準(zhǔn)狀態(tài)控制多路開關(guān)相應(yīng)通道的選通與關(guān)斷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流水線ADC的后臺(tái)數(shù)字校準(zhǔn)裝置，其特征在于，所述j為n-1，η為流水線ADC的總級(jí)數(shù)，即所述流水線ADC中除第η級(jí)外，其它各級(jí)ADC子級(jí)的輸入端分別通過數(shù)據(jù)選擇模塊與高精度ADC冗余子級(jí)輸入端連接，相應(yīng)的這些ADC子級(jí)的輸出端分別通過自適應(yīng)濾波器與下一級(jí)ADC子級(jí)輸入端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流水線ADC的后臺(tái)數(shù)字校準(zhǔn)裝置，其特征在于，所述自適應(yīng)濾波器為LMS自適應(yīng)濾波器或RLS自適應(yīng)濾波器。
4.一種基于權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的流水線ADC的后臺(tái)數(shù)字校準(zhǔn)裝置實(shí)現(xiàn)的校準(zhǔn)方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)模擬信號(hào)經(jīng)過采樣保持放大器采樣后作為流水線ADC第一級(jí)ADC子級(jí)和數(shù)字選擇模塊的輸入； (2)流水線ADC校準(zhǔn)的初始化:通過控制信號(hào)產(chǎn)生模塊控制流水線ADC從第一級(jí)至第j級(jí)依次逐級(jí)進(jìn)行以下校準(zhǔn)步驟: (2-1)控制與當(dāng)前所要校準(zhǔn)的ADC子級(jí)輸入端連接的數(shù)據(jù)選擇模塊通道以及與該ADC子級(jí)輸出端的自適應(yīng)濾波器連接的數(shù)據(jù)分配模塊通道同時(shí)選通，同時(shí)控制連接在該ADC子級(jí)輸出端的自適應(yīng)濾波器輸出端和參考端之間的一路開關(guān)斷開，其他自適應(yīng)濾波器的輸出端和參考端之間的各路開關(guān)閉合； (2-2)當(dāng)前所要校準(zhǔn)的ADC子級(jí)輸入端的信號(hào)同時(shí)通過數(shù)據(jù)選擇模塊當(dāng)前選通的通道輸入到高精度ADC冗余子級(jí)，高精度ADC冗余子級(jí)模塊將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，作為自適應(yīng)濾波器校準(zhǔn)用的參考信號(hào)； (2-3)高精度ADC冗余子級(jí)輸出的參考信號(hào)通過數(shù)據(jù)分配模塊當(dāng)前選通的通道輸入到與當(dāng)前所要校準(zhǔn)的ADC子級(jí)連接的LMS自適應(yīng)濾波器的參考端，自適應(yīng)濾波器根據(jù)當(dāng)前所要校準(zhǔn)的ADC子級(jí)的輸出信號(hào)和高精度ADC冗余子級(jí)輸出的參考信號(hào)計(jì)算得到誤差信號(hào)，并根據(jù)誤差信號(hào)迭代更新抽頭權(quán)系數(shù)，當(dāng)更新抽頭權(quán)系數(shù)后得到的誤差信號(hào)小于一設(shè)定值X時(shí)，當(dāng)前所要校準(zhǔn)的ADC子級(jí)校準(zhǔn)結(jié)束； (2-4)當(dāng)前所要校準(zhǔn)的ADC子級(jí)校準(zhǔn)結(jié)束時(shí)，自適應(yīng)濾波器輸出校準(zhǔn)后的信號(hào)給下一級(jí)ADC子級(jí)；返回步驟(2-1)，針對(duì)下一級(jí)ADC子級(jí)進(jìn)行校準(zhǔn)，同時(shí)控制連接在該ADC子級(jí)輸出端的自適應(yīng)濾波器的輸出端和參考端之間的一路開關(guān)閉合。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的流水線ADC的后臺(tái)數(shù)字校準(zhǔn)方法，其特征在于，所述流水線ADC初始化校準(zhǔn)后還包括隨機(jī)校準(zhǔn)步驟，所述隨機(jī)校準(zhǔn)步驟:通過控制信號(hào)產(chǎn)生模塊控制流水線ADC第一級(jí)至第j級(jí)中隨機(jī)一級(jí)ADC子級(jí)輸入端連接的數(shù)據(jù)選擇模塊通道以及與該ADC子級(jí)輸出端的自適應(yīng)濾波器連接的數(shù)據(jù)分配模塊通道同時(shí)選通；同時(shí)控制連接在該ADC子級(jí)輸出端的自適應(yīng)濾波器輸出端和參考端之間的一路開關(guān)斷開，其他自適應(yīng)濾波器的輸出端和參考端之間的各路開關(guān)閉合；然后通過上述步驟(2-2)至(2-4)對(duì)該ADC子級(jí)進(jìn)行校準(zhǔn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的流水線ADC的后臺(tái)數(shù)字校準(zhǔn)方法，其特征在于，所述步驟(2)中自適應(yīng)濾波器為LMS自適應(yīng)濾波器，所述各ADC子級(jí)輸出信號(hào)經(jīng)過LMS自適應(yīng)濾波器后m時(shí)刻的輸出信號(hào)y(m)為:

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的流水線ADC的后臺(tái)數(shù)字校準(zhǔn)方法，其特征在于，所述步驟(2-3)中，所述X值根據(jù)ADC信噪比要求進(jìn)行選擇，所述X值為小于或等于0.5個(gè)ADC的最低有效位。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的流水線ADC的后臺(tái)數(shù)字校準(zhǔn)方法，其特征在于，所述步驟(2-3)中，當(dāng)ADC信噪比要求在60dB~90dB時(shí)，X值為10'
【文檔編號(hào)】H03M1/10GK103973306SQ201410137126
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年4月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月4日
【發(fā)明者】李斌, 燕振華, 吳朝暉 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)