一种流水线ADC数字校准算法实现

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1、万方数据第29卷第5期2008年5月半导体学报JoURNALOFSEMlCoNDUCToRSV01．29NO．5May，2008一种流水线ADC数字校准算法实现戴‘澜’周玉梅胡晓宇蒋见花(中国科学院微电子研究所，北京100029)t摘要：校准系统是实现高精度高速度流水线ADC的关键技术之一．论文对流水线ADC结构进行描述，对误差来源进行分析，并且对通过计算每级转换函数跳变点高度来得到权重的校准算法进行研究，最后提出校准算法实现方案，进行实现并且给出实现结果与版图．实现结果表明：完成校准系统只需要一些纯粹的数字电路，实现简单．同时，算法仿真

2、结果表明，这种算法可以满足高精度ADC的要求，是一种实现性、可靠性好的校准算法实现方法．关键词：数字校准；数字冗余；电容失配；失调EEACC：1265H中图分类号：TN792文献标识码：A文章编号：0253-4177(2008)05—0993-051引言随着高速数字信号处理技术的发展，电子处理系统对高性能模数转换器(ADC)的需求日益提高．但在现行工艺水平下，由于受电容失配、运放有限增益以及运算放大器的动静态误差等限制，模数转换器的精度被限制在10位左右[1~3]．其中电容失配与工艺直接相关，是最主要的误差源，难以通过前期电路设计消除；运

3、放增益以及运放动静态误差的影响可以在一定程度上通过电路设计减小．因此，高速高精度ADC设计必须依靠校准技术，校准技术有模拟与数字之分．前者在模拟领域把相关的量调整到正常数值或者利用激光对芯片元件进行修正；后者不关心模拟领域的物理量数值，只是把这些影响在数字领域描述，然后在数字领域对输出代码进行调整，是现行校准技术的主流．现行数字校准方法主要有：采用低速高精度算法三一AADC为基础进行校准[4]，校准效果完全依靠X-AADC的精度乜3；采用伪随机噪声注入法，把伪随机模拟信号注入到流水线中，然后在数字领域进行调制来得到误差因子[5~7]，这种

4、方法尽管不受输入信号带宽限制，不需要增加额外的模拟元件，但是实现相对复杂以及收敛比较慢．本文将对一种纯粹数字电路实现的数字校准算法进行扩展，并提出实现结构以及得到实现结果．2流水线ADC误差分析流水线模数转换器包含采样保持电路(S／H)、流水线级、输出延时单元电路(1atches)以及校准电路，如图1所示．其中最高有效位通过流水线的最先级转换得到，最低有效位通过流水线的最后级得到．在正常的转换工作中，这些级同时工作，可以提高流水线的吞吐率．一oIo矿S／HStagelStage2SmgeN)u。／{＼{／、Latches／＼4Di。i／＼

5、'⋯～／x'O)igitalcalibrati。nP‘一一n一心一o‰]““l刨。队了影≥矽／7Ⅲ以∥；吃一}1．5．b一‰t通信作者．Email：perfect—dai@163．corn2007-09-13收到，2007—12—21定稿图1流水线ADC结构Fig．1StructureofpipelinedA／DConverters@2008中国电子学会万方数据994半导体学报第29卷图2单级流水线结构Fig．2Structureofsinglestage在每一级流水线中，输入信号首先由快闪ADC进行量化(SADC)，输出本级代码．然后通

6、过子数模转换器(SDAC)将输出代码转换为模拟量，这些转换后的模拟量与输入信号求差，进行余差放大，输出到下一级流水线．在开关电容设计中，SDAC、减法器和余差放大器共同构成倍增数模转换器(MDAC)，如图2所示．对于电容翻转结构MDAC，理想传输函数为[8]：Vo=2Vin一_DVrcf=2(Vin—DVrcf／2)(1)在不同的转换区域(图1中I，Ⅱ，11I)D取值分别为一1，0，1．考虑到电容失配、失调电压以及运放有限增益的影响，MDAC传输函数为：一(，+舍)”D鲁yrct+(，+≮导)y。V“1．C。+C2+Cp1’——不『_(1

7、+苦)yt。一D苦y，d+÷y*1+可1=(1+七)l(2+口)yi。一D(1+口)yrcf+{÷+a)y。)=(1+k)((2+口)Vi。一D(1+a)V。f)(2)其中，为反馈系数；ct为电容失配系数；k为运放有限增益引起的误差．(1)式中在过渡点的跳变高度为y，d，正好是本级数字权重对应的模拟量，由(2)式得跳变高度(即权重)为：(1+k)(1+a)y耐．运放有限增益带来的误差可以通过增加运放的开环放大倍数来解决，电容失配是误差的最主要来源．本文提出的数字校准算法主要针对电容失配引起流水线级间增益误差的情况，通过计算跳变点高度(反映

8、了本级权重的变化)进行．3数字校准算法基于跳变点高度变化的数字校准算法在文献[9，103中被提出，但是此文基于每级1位的流水线结构来实现．这种结构最大的缺陷是对失调电压的容忍能力，失调是模数转