[发明专利]一种用于流水线模数转换器的直流失调校准方法及电路

说明书

技术领域

本发明提出了一种用于流水线结构模数转换器的直流失调校准方法及其实现电路。

背景技术

请参见图1和图2所示，为现有常见的流水线模数转换器级电路，每级1.5位，受两相不交叠时钟控制，交替工作在采样相和保持相。其中，C1和C2为电容值相等的采样电容，110为运算放大器，VIN为级电路输入电压，VOUT为级电路输出电压，b＝-1或0或+1，VREF为级电路进行减法运算的参考电压。理想情况下，在采样相结束时，电容C1、C2存储的总电荷为Q1＝VIN*C1+VIN*C2＝2*VIN*C1；在保持相结束时，电容C1、C2上存储的总电荷为Q2＝b*VREF*C2+VOUT*C1＝(VOUT+b*VREF)*C1。根据电荷守恒原理，令Q1＝Q2，得到理想情况下，级电路送往下一级电路的输出电压为VOUT＝2*VIN-b*VREF。

[0003]请参见图3所示，为上述级电路的理想电压传输曲线。其中，级电路的输入、输出电压范围均为±VREF，比较器的判决电压为±0.25*VREF。

[0004]请参见图4和图5所示，在实际生产过程中存在工艺随机失配等非理想因素，使得级电路中的运算放大器110存在直流失调VOS，并最终影响级电路的输入输出传输曲线。在采样相结束时，电容C1、C2存储的总电荷为Q3＝VIN*C1+VIN*C2＝2*VIN*C1；在保持相结束时，电容C1、C2上存储的总电荷为Q4＝(b*VREF+VOS)*C2+(VOUT+VOS)*C1＝(VOUT+b*VREF+2*VOS)*C1。根据电荷守恒原理，令Q3＝Q4，得到非理想情况下，级电路送往下一级电路的输出电压为VOUT＝2*VIN-b*VREF-2*VOS。

请参见图6所示，考虑运算放大器的直流失调后，级电路的实际传输曲线比理想情况整体向下平移了2*VOS。

请参见图7所示，上述级电路运算放大器的直流失调逐级累加，最终得到直流失调为Offset的模数转换器数字输出DOUT。当模拟输入VIN满量程±FS时，DOUT由于直流失调的影响出现失真，不能实现满量程输出，模数转换器的动态范围变小，有效位数也随之降低。这一结论同样适用于每级多位的流水线级电路。

现有的消除流水线级电路中运算放大器直流失调的方法，往往是对级电路中的模拟电路进行时序或电路结构方面的改进，虽然能够减小直流失调，但会增加电路的复杂度，并引入新的寄生，从而在一定程度上影响模数转换器的精度和速度。

发明内容

本发明提出了一种用于流水线模数转换器的直流失调校准方法及其实现电路。这种校准方法及其实现电路，不需要对流水线模数转换器原有的核心电路进行修改，即：与原有的核心电路相互独立，而且校准算法的实现电路均为逻辑、运算、存储等数字电路，设计简单，易于实现。

直流失调校准算法的实现电路包括逻辑控制模块、计算及存储模块和异步减法器模块，其特征在于：

上述逻辑控制模块采用与流水线模数转换器核心电路同步的工作时钟，时钟频率可与核心电路相同，亦可不同；输入信号包括，校准开始使能信号、校准复位使能信号；输出信号包括，计算及存储使能信号、模数转换器采样开关控制信号。

上述计算及存储模块的输入信号包括，计算及存储使能信号、流水线模数转换器核心电路的N位数字输出；输出信号包括，通过计算得到的N位直流失调平均值。

上述异步减法器模块的输入信号包括，流水线模数转换器核心电路的N位数字输出，通过计算得到的N位直流失调平均值；输出信号包括，含直流失调校准的流水线模数转换器N位数字输出。

直流失调校准方法步骤如下：

步骤1：校准复位使能信号有效，逻辑控制模块、计算及存储模块电路状态复位，电路中的数据清零。

步骤2：校准开始使能信号有效，模数转换器的模拟输入端与输入共模电压端相连，使模数转换器的差分输入为相同的直流共模电压。校准开始。

步骤3：每隔X时钟周期，计算及存储模块对模数转换器核心电路的N位数字输出采样一次，共重复Y次，计算Y次采样的直流失调平均值并存入存储模块。其中，X、Y＝1，2，3，……等整数，其值可根据校准时间、校准精度的要求进行选取。

步骤4：将模数转换器的输入端与正常的模拟输入信号相连，模数转换器核心电路开始正常工作。

步骤5：校准开始使能信号无效，校准结束，进入正常工作模式。写入计算及存储模块中的直流失调平均值与模数转换器核心电路未经校准的数字输出通过异步减法器模块进行减法运算，最终得到含直流失调校准的数字输出。