一種流水線模數(shù)轉換器及其電容失配誤差校準方法
【專利摘要】本發(fā)明實施例公開了一種簡易的針對流水線模數(shù)轉換器電容失配誤差的校準方案，在傳統(tǒng)無校準流水線模數(shù)轉換器結構的基礎上，由級MDAC結構與級校準開關結構組成需要校準電容失配誤差的校準級，同時，增加電容失配誤差數(shù)字校準電路。在校準級電容誤差提取工作期間，通過級校準開關結構對校準級采樣電容給定2種特定輸入，路得到包含電容失配誤差的2個數(shù)字碼，再根據(jù)其提取出校準級電容失配誤差并進行數(shù)字校準。該電容失配誤差校準方案結構極其簡單、額外元件添加極其少、時序控制極其簡單，能夠有效的校準因電容失配造成的靜態(tài)特性下降的問題。
【專利說明】一種流水線模數(shù)轉換器及其電容失配誤差校準方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及用于紅外焦平面陣列讀出電路的模數(shù)轉換器，尤其是涉及一種流水線模數(shù)轉換器及其電容失配誤差校準方法。
[0002]

【背景技術】
[0003]讀出電路￠010是非致冷紅外焦平面陣列(八)的關鍵部件之一，它的主要功能是對紅外探測器感應的微弱信號進行預處理(如積分、放大、濾波、采樣/保持等)和陣列信號的并/串行轉換。視探測器所用材料和工作方式的不同，讀出電路結構隨之變化，以在滿足幀頻的要求下獲得最大的信噪比(3殿
[0004]1？010屬于數(shù)模混合集成技術。像元電路部分屬于模擬電路，它對103管溝道寬長比有特殊的要求，需要有比數(shù)字電路更加精確的設計。另外，為了增大積分電容的面積，復雜的電路設計在如冗中也是不容許的。先進的如冗為了減小讀出噪聲和提高幀刷新頻率，將濾波電路、模數(shù)轉換等功能器件集成在一塊芯片內，這是今后如冗發(fā)展的趨勢。
[0005]模數(shù)轉換器集成到焦平面陣列中，不但可以簡化陣列與系統(tǒng)的接口設計，也可將易受電磁干擾的模擬輸出信號轉為抗干擾能力強的數(shù)字信號，提高系統(tǒng)的整體性能。
[0006]經(jīng)典的無校準的流水線模數(shù)轉換器中，由于制造工藝的原因，電容失配誤差是不可避免的，其在一定程度上限制了分辨率與采樣速率的有效折中，尤其是在大陣列、高幀頻的非致冷紅外焦平面陣列的讀出技術中，存在更高分辨率及更高采樣速率的限制。因此，存在校準非致冷紅外焦平面陣列中的流水線模數(shù)轉換器的電容失配誤差的需求。
[0007]


【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明的目的之一是提供一種能夠有效校準流水線模數(shù)轉換器的電容失配誤差的流水線模數(shù)轉換器及其電容失配誤差校準方法。
[0009]本發(fā)明公開的技術方案包括:
提供了一種流水線模數(shù)轉換器，其特征在于:包括至少兩級模數(shù)轉換器和電容失配誤差數(shù)字校準電路30，其中:至少第1級模數(shù)轉換器10包括校準開關電路102和電路100，所述校準開關電路102包括第一開關^和第二開關3⑶所述第一開關^ 一端連接到所述電路100，另一端連接到第一參考電壓所述第二開關—端連接到所述電路100，另一端連接到第二參考電壓；所述電容失配誤差數(shù)字校準電路30連接到所述至少兩級模數(shù)轉換器；其中所述至少兩級模數(shù)轉換器根據(jù)所述第一參考電壓+1,/2輸出第一數(shù)字碼，并根據(jù)所述第二參考電壓輸出第二數(shù)字碼；所述電容失配誤差數(shù)字校準電路30接收所述第一數(shù)字碼和所述第二數(shù)字碼、根據(jù)所述第一數(shù)字碼和所述第二數(shù)字碼獲得所述流水線模數(shù)轉換器的電容失配誤差校準碼、并且當所述流水線模數(shù)轉換器正常工作時用所述電容失配誤差校準碼校準所述流水線模數(shù)轉換器轉換輸出的數(shù)據(jù)。
[0010]本發(fā)明的一個實施例中，所述10仏電路100包括運算放大器、采樣電容和反饋電容4，所述采樣電容4的一端分別通過開關元件連接到所述流水線模數(shù)轉換器的信號輸入端\。、第三參考電壓第四參考電壓和接地端，另一端連接到所述運算放大器的反相輸入端并通過開關元件接地。
[0011]本發(fā)明的一個實施例中，所述反饋電容4的一端連接到所述運算放大器的反相輸入端，另一端分別通過開關元件連接到所述流水線模數(shù)轉換器的信號輸入端\。和所述運算放大器的輸出端V。#。
[0012]本發(fā)明的一個實施例中，所述第一開關^ 一端連接到所述采樣電容4的所述一端，另一端連接到所述第一參考電壓+^/2 ；所述第二開關、一端連接到所述采樣電容4的所述一端，另一端連接到第二參考電壓16^2。
[0013]本發(fā)明的一個實施例中，所述第一參考電壓為所述第三參考電壓的二分之一，所述第二參考電壓為所述第四參考電壓的二分之一。
[0014]本發(fā)明的實施例中還提供了一種使用前述的流水線模數(shù)轉換器校準電容失配誤差的方法，其特征在于，包括:使所述采樣電容和所述反饋電容4并聯(lián)，并且一端接地，另一端連接到所述運算放大器的反相輸入端的一端連接到所述第一參考電壓+^-/2,另一端連接到所述運算放大器的反相輸入端，并使所述反饋電容4的一端連接到所述運算放大器的反相輸入端，另一端連接到所述運算放大器的輸出端，從而通過所述至少兩級模數(shù)轉換器獲得第一數(shù)字碼；使所述采樣電容和所述反饋電容4并聯(lián)，并且一端接地，另一端連接到所述運算放大器的反相輸入端；使所述采樣電容05的一端連接到所述第二參考電壓另一端連接到所述運算放大器的反相輸入端，并使所述反饋電容4的一端連接到所述運算放大器的反相輸入端，另一端連接到所述運算放大器的輸出端；從而通過所述至少兩級模數(shù)轉換器獲得第二數(shù)字碼；根據(jù)所述第一數(shù)字碼和所述第二數(shù)字碼獲得所述流水線模數(shù)轉換器的電容失配誤差校準碼；當所述流水線模數(shù)轉換器正常工作時，用所述電容失配誤差校準碼校準所述流水線模數(shù)轉換器轉換輸出的數(shù)據(jù)。
[0015]本發(fā)明的實施例中，能夠校準需要對電容失配誤差的級引起的誤差，并且結構極其簡單、額外元件添加極其少、時序控制極其簡單，數(shù)字域計算及校準工作只需通過加減法實現(xiàn)，大大減小了數(shù)字電路設計的難度與周期。經(jīng)過仿真驗證，本發(fā)明的針對流水線模數(shù)轉換器電容失配誤差的校準方法能夠有效的校準因電容失配造成的靜態(tài)特性下降的問題。
[0016]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明一個實施例的流水線模數(shù)轉換器的結構框圖示意圖。
[0018]圖2是本發(fā)明一個實施例的第1級模數(shù)轉換器的結構示意圖。
[0019]圖3是本發(fā)明一個實施例的處于采樣相狀態(tài)中的10八電路的示意圖。
[0020]圖4是本發(fā)明一個實施例的處于第一保持相狀態(tài)中的10八電路的示意圖。
[0021]圖5是本發(fā)明一個實施例的處于第二保持相狀態(tài)中的10八電路的示意圖。
[0022]圖6是本發(fā)明一個實施例的校準碼的示意圖。
[0023]圖7是存在正的采樣電容失配的情況下傳輸曲線校準前效果示意圖，圖中的黑色虛線為理想的傳輸曲線，黑色實線為校準前后實際的傳輸曲線。
[0024]圖8是存在正的采樣電容失配的情況下傳輸曲線校準后效果示意圖，圖中的黑色虛線為理想的傳輸曲線，黑色實線為校準前后實際的傳輸曲線示意圖。
[0025]圖9和圖10分別為本發(fā)明實施例的流水線模數(shù)轉換器存在較大采樣電容失配校準前和后的靜態(tài)特性參數(shù)01、1^1的31皿1111^模型仿真圖。
[0026]

【具體實施方式】
[0027]下面將結合附圖詳細說明本發(fā)明的實施例的流水線模數(shù)轉換器的具體結構及其電容失配誤差校準方法的具體步驟。
[0028]如圖1所示，本發(fā)明的一個實施例中，一種流水線模數(shù)轉換器包括至少兩級模數(shù)轉換器(例如，圖1中的10、12、14、16等等)和電容失配誤差數(shù)字校準電路30。
[0029]本發(fā)明的實施例中，設有校準開關電路，該校準開關電路可以設置在該至少兩級模數(shù)轉換器中的前一個或者幾個級模數(shù)轉換器中。
[0030]例如，如圖1和圖2所示，至少第1級模數(shù)轉換器10包括校準開關電路102和10八(11111:11)171118丨 00)1^61*1:61'，乘法型數(shù)模轉換器)電路 100。校準開關電路102包括第一開關^和第二開關3⑶第一開關^ 一端連接到電路100，另一端連接到第一參考電壓第二開關—端連接到電路100，另一端連接到第二參考電壓2。
[0031]電容失配誤差數(shù)字校準電路30連接到前述的至少兩級模數(shù)轉換器。
[0032]本發(fā)明的實施例中，該至少兩級模數(shù)轉換器可以根據(jù)第一參考電壓+^-/2輸出第一數(shù)字碼，并可以根據(jù)第二參考電壓輸出包含采樣第二數(shù)字碼。該第一數(shù)字碼和第二數(shù)字碼都包含了該流水線模數(shù)轉換器中的采樣電容引起的采樣電容誤差。
[0033]因此，本發(fā)明的實施例中，電容失配誤差數(shù)字校準電路30可以接收該第一數(shù)字碼和第二數(shù)字碼并根據(jù)該第一數(shù)字碼和第二數(shù)字碼獲得流水線模數(shù)轉換器的電容失配誤差校準碼。電容失配誤差數(shù)字校準電路30可以存儲這些電容失配誤差校準碼，并且當流水線模數(shù)轉換器正常工作時，讀取這些電容失配誤差校準碼并用該電容失配誤差校準碼校準流水線模數(shù)轉換器轉換輸出的數(shù)據(jù)。
[0034]本發(fā)明的實施例中，流水線模數(shù)轉換器還可以包括冗余位數(shù)字校正電路20，該冗余位數(shù)字校正電路位于該至少兩級模數(shù)轉換器與電容失配誤差數(shù)字校準電路30之間。即，該至少兩級模數(shù)轉換器產生的第一數(shù)字碼和第二數(shù)字碼可以經(jīng)過冗余位數(shù)字校正電路20的校正之后輸入到電容失配誤差數(shù)字校準電路30中。
[0035]如圖2所示，本發(fā)明的一個實施例中，10仏電路100包括運算放大器、采樣電容和反饋電容4。
[0036]采樣電容4的一端分別通過開關元件連接到流水線模數(shù)轉換器的信號輸入端乂,。、第三參考電壓第四參考電壓4&和接地端，另一端連接到運算放大器的反相輸入端并通過開關元件接地。
[0037]反饋電容4的一端連接到運算放大器的反相輸入端，另一端分別通過開關元件連接到流水線模數(shù)轉換器的信號輸入端和運算放大器的輸出端V。#。
[0038]第一開關^ 一端連接到米樣電容0；的一端，另一端連接到第一參考電壓+1^/2 ；第二開關3。2 —端連接到采樣電容4的一端，另一端連接到第二參考電壓16^2。
[0039]本發(fā)明的前述實施例中，可以看出，第一參考電壓為第三參考電壓的二分之一，第二參考電壓為第四參考電壓的二分之一。
[0040]本發(fā)明的一個實施例中，使用前述的流水線模數(shù)轉換器校準電容失配誤差的方法可以包括下列步驟。
[0041]首先，可以通過切換開關元件(即通過控制第1級模數(shù)轉換器10中的各個開關元件的斷開和閉合),使采樣電容4和反饋電容4并聯(lián)，并且一端接地，另一端連接到運算放大器的反相輸入端，如圖3所示。這個狀態(tài)稱之為“采樣相”。
[0042]然后，通過切換開關元件(即通過控制第1級模數(shù)轉換器10中的各個開關元件的斷開和閉合)可以通過控制第1級模數(shù)轉換器10中的各個開關元件的斷開和閉合，使采樣電容4的一端連接到第一參考電壓另一端連接到運算放大器的反相輸入端，并使反饋電容4的一端連接到運算放大器的反相輸入端，另一端連接到運算放大器的輸出端，如圖4所示。這個狀態(tài)稱之為“第一保持相”。此時，該至少兩級模數(shù)轉換器工作輸出第一數(shù)字碼051。該第一數(shù)字碼051中包含了采樣電容誤差。
[0043]然后，通過切換開關元件，使采樣電容4和反饋電容4恢復到采樣相。
[0044]然后，通過控制第1級模數(shù)轉換器10中的各個開關元件的斷開和閉合，使采樣電容4的一端連接到第二參考電壓另一端連接到運算放大器的反相輸入端，并使反饋電容4的一端連接到運算放大器的反相輸入端，另一端連接到運算放大器的輸出端，如圖5所示。這個狀態(tài)稱之為“第二保持相”。此時，該至少兩級模數(shù)轉換器工作輸出第二數(shù)字碼052。該第二數(shù)字碼052中包含了采樣電容誤差。
[0045]然后，電容失配誤差數(shù)字校準電路30接收該第一數(shù)字碼和第二數(shù)字碼1\2，并根據(jù)該第一數(shù)字碼和第二數(shù)字碼獲得流水線模數(shù)轉換器的電容失配誤差校準碼。例如，一個實施例中，該電容失配誤差校準碼可以為2(1^+ /2),2(0^ - /2).
[0046]當流水線模數(shù)轉換器正常工作時，電容失配誤差數(shù)字校準電路30即可以用該電容失配誤差校準碼校準流水線模數(shù)轉換器轉換輸出的數(shù)據(jù)。
[0047]下面簡要說明本發(fā)明實施例中的流水線模數(shù)轉換器及前述的方法的原理。
[0048]電容失配誤差可以表示為其中0在不同的輸入信號I的時候分別為-1、0、+1，即如圖2所示的本發(fā)明的實施例的1.561〖的104(:的電容失配誤差為+八和-八所以其對應的校準碼為0^600與0x1610，校準碼示意圖如圖6所示。
[0049]在本發(fā)明實施例的2個特定校準誤差提取周期中，2個周期的采樣相如圖3所示，在這2個校準誤差提取周期的采樣相中，兩個電容的總電荷為零。
[0050]在本發(fā)明實施例的2個特定校準誤差提取周期中，第1周期的保持相(第一保持相)如圖4所示，得到第一數(shù)字碼051 (如前文所述)；第2周期的保持相(第二保持相)如圖5所示，得到第二數(shù)字碼052 (如前文所述
[0051]在2個特定的校準誤差提取周期后，得到的包含采樣電容失配誤差的兩個數(shù)字碼分別儲存在電容失配誤差數(shù)字校準電路30的寄存器中，并且在其中進行運算，該數(shù)字運算可以只包含數(shù)字域上的加減法，所需要的額外元件極其少、時序控制極其簡單。本發(fā)明一個實施例中，1.561七校準碼化而㈨、化而州可以分別為2(1^+ /2),2(0^ - /2)。
[0052]本發(fā)明的實施例中，利用在保持相接入+^6,/2和的方法，可以迫使后級無校準電路的模數(shù)轉換器的輸出數(shù)模在3/4和1/4處，通過電容失配誤差數(shù)字校準電路30實現(xiàn)對電容失配誤差的校準，在實施例的1.5化〖的結構中，通過給不同的段加上相應的校準碼，實現(xiàn)誤差的校準；在傳輸曲線的直觀表現(xiàn)為誤差的搬移。
[0053]圖7及圖8分別為存在正的采樣電容失配的情況下校準前和校準后的示意圖，圖中的黑色虛線為理想的傳輸曲線，黑色實線為校準前后實際的傳輸曲線示意圖。
[0054]圖9及圖10分別為本發(fā)明實施例的流水線模數(shù)轉換器存在較大采樣電容失配校準前和后的靜態(tài)特性參數(shù)0見、I見的31皿111仏模型仿真圖。可見對靜態(tài)特性有非常大的提升。
[0055]本發(fā)明的實施例中，能夠校準需要對電容失配誤差的級引起的誤差，并且結構極其簡單、額外元件添加極其少、時序控制極其簡單，數(shù)字域計算及校準工作只需通過加減法實現(xiàn)，大大減小了數(shù)字電路設計的難度與周期。經(jīng)過仿真驗證，本發(fā)明的針對流水線模數(shù)轉換器電容失配誤差的校準方法能夠有效的校準因電容失配造成的靜態(tài)特性下降的問題。
[0056]以上通過具體的實施例對本發(fā)明進行了說明，但本發(fā)明并不限于這些具體的實施例。本領域技術人員應該明白，還可以對本發(fā)明做各種修改、等同替換、變化等等，這些變換只要未背離本發(fā)明的精神，都應在本發(fā)明的保護范圍之內。此外，以上多處所述的“一個實施例”表示不同的實施例，當然也可以將其全部或部分結合在一個實施例中。
【權利要求】
1.一種流水線模數(shù)轉換器，其特征在于:包括至少兩級模數(shù)轉換器和電容失配誤差數(shù)字校準電路(30)，其中: 至少第1級模數(shù)轉換器(10)包括校準開關電路(102)和MDAC電路(100)，所述校準開關電路(102)包括第一開關(Sa)和第二開關(Sffi)，所述第一開關(Sa) —端連接到所述MDAC電路(100)，另一端連接到第一參考電壓(+V,rf/2)，所述第二開關(SC2)—端連接到所述MDAC電路(100)，另一端連接到第二參考電壓(_VMf/2)； 所述電容失配誤差數(shù)字校準電路(30)連接到所述至少兩級模數(shù)轉換器； 其中所述至少兩級模數(shù)轉換器根據(jù)所述第一參考電壓(+VMf/2)輸出第一數(shù)字碼，并根據(jù)所述第二參考電壓(_VMf/2)輸出第二數(shù)字碼； 所述電容失配誤差數(shù)字校準電路(30 )接收所述第一數(shù)字碼和所述第二數(shù)字碼、根據(jù)所述第一數(shù)字碼和所述第二數(shù)字碼獲得所述流水線模數(shù)轉換器的電容失配誤差校準碼、并且當所述流水線模數(shù)轉換器正常工作時用所述電容失配誤差校準碼校準所述流水線模數(shù)轉換器轉換輸出的數(shù)據(jù)。
2.如權利要求1所述的流水線模數(shù)轉換器，其特征在于:所述MDAC電路(100)包括運算放大器、采樣電容(Cs)和反饋電容(Cf)，所述采樣電容(Cs)的一端分別通過開關元件連接到所述流水線模數(shù)轉換器的信號輸入端(Vin)、第三參考電壓(+VMf)、第四參考電壓(-Vref)和接地端，另一端連接到所述運算放大器的反相輸入端并通過開關元件接地。
3.如權利要求1或者2所述的流水線模數(shù)轉換器，其特征在于:所述反饋電容(Cf)的一端連接到所述運算放大器的反相輸入端，另一端分別通過開關元件連接到所述流水線模數(shù)轉換器的信號輸入端(vin)和所述運算放大器的輸出端(ν_)。
4.如權利要求1至3中任意一項所述的流水線模數(shù)轉換器，其特征在于:所述第一開關(Sa)—端連接到所述采樣電容(Cs)的所述一端，另一端連接到所述第一參考電壓(+Vref/2);所述第二開關(SJ —端連接到所述采樣電容(Cs)的所述一端，另一端連接到第二參考電壓(U2)。
5.如權利要求2所述的流水線模數(shù)轉換器，其特征在于:所述第一參考電壓為所述第三參考電壓的二分之一，所述第二參考電壓為所述第四參考電壓的二分之一。
6.一種使用如權利要求1至5中任意一項所述的流水線模數(shù)轉換器校準電容失配誤差的方法，其特征在于，包括: 使所述采樣電容(Cs)和所述反饋電容(Cf)并聯(lián)，并且一端接地，另一端連接到所述運算放大器的反相輸入端； 切換開關元件，使所述采樣電容(Cs)的一端連接到所述第一參考電壓(+V&/2)，另一端連接到所述運算放大器的反相輸入端，并使所述反饋電容(Cf)的一端連接到所述運算放大器的反相輸入端，另一端連接到所述運算放大器的輸出端，從而通過所述至少兩級模數(shù)轉換器獲得第一數(shù)字碼； 使所述采樣電容(Cs)和所述反饋電容(Cf)并聯(lián)，并且一端接地，另一端連接到所述運算放大器的反相輸入端； 使所述采樣電容(Cs)的一端連接到所述第二參考電壓(-V&/2)，另一端連接到所述運算放大器的反相輸入端，并使所述反饋電容(Cf)的一端連接到所述運算放大器的反相輸入端，另一端連接到所述運算放大器的輸出端；從而通過所述至少兩級模數(shù)轉換器獲得第二數(shù)字碼； 根據(jù)所述第一數(shù)字碼和所述第二數(shù)字碼獲得所述流水線模數(shù)轉換器的電容失配誤差校準碼； 當所述流水線模數(shù)轉換器正常工作時，用所述電容失配誤差校準碼校準所述流水線模數(shù)轉換器轉換輸出的數(shù)據(jù)。
【文檔編號】H03M1/10GK104363019SQ201410475044
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年9月18日 優(yōu)先權日:2014年9月18日
【發(fā)明者】呂堅, 魏林海, 張壤勻, 牛潤梅, 周云 申請人:電子科技大學