[发明专利]子区域模-数转换器的数字式错误校正系统

说明书

本发明一般涉及多级流水线子区域A/D转换器，更具体地说，涉及一种校正多级流水线子区域A/D转换器中转换错误的系统。

A.G.F.Dingwall和W.Zazzu在题为“8MHz CMOS子区域8位A/D转换器”(IEEE J.Solid-State Circuits，Vol. SC-20，第1138页～1143页，1985年12月)的文章中描述了一种子区域A/D转换器，S.H.Lewis和P.R.Gray在题为“流水线5M取样/秒9位A/D转换器”(IEEE J.Solid-State Circuits，Vol.SC-22，No.6，第954页～961页，1987年12月)的文章中也描述了一种子区域A/D转换器。

在上述S.H.Lewis和P.R.Gray描述的所谓“数字校正”方法中，使级间增益为常规数值的一半，即使用L位A/D和D/A转换器的级的增益为2。因此剩余信号只横跨连续级范围的一半。在这种情况中，在任一级A/D转换器中可容纳高达为最低有效位(LSB)的±1/2的误差。这种误差将使放大的剩余信号高于或低于预期范围，这种误差可通过分别对前一级递增或递减L位A/D转换器代码而进行校正。虽然这种方法很简单，但它不能校正D/A转换器或增益级中的任何误差，它不能满足高分辨率(即分辨率高于9位)。

与数字系数一道使用基数1.85代替基数2来实现校正输出信号的方法也已经知道。这种技术由S.G.Boyacigiller等人在题为“纠错14b/20μs CMOS A/D转换器”(ISSCC Dig.Tech.Papers，第62页～63页，1981年2月)的文章中描述。这种方法能校正元件的匹配误差和增益误差。然而，它不能容纳在增益级或其它地方的非线性，从而限制了它实现高分辨率转换器的实用性。

由于子区域A/D转换器的速度几乎可与闪光转换器相比，因而使用很少的硬件，它们对于高速操作是有吸引力的。例如，N位闪光转换器得用2^N-1个比较器，而L级子区域设计中同样的分辨率只需要L(2^N/L-1)个比较器。遗憾的是，实际电路的非理想特性例如元件失配、非线性、偏移、噪声等阻碍了获得高分辨率的努力。尤其是在子区域A/D转换器的情况下，精度受第一级A/D和D/A转换器的线性程度的限制。然而使用本发明可获得超过上述非理想元件限制的精度范围的分辨率。 

本发明的一个目的是提供一种能容易地校准以补偿其元件非理想特性的多级流水线子区域A/D转换器。

另一个目的是提供一种便于校准子区域A/D转换器的数字式错误校正系统以避免该转换器的操作误差。

再一个目的是简化带有子区域结构的高分辨率A/D转换器。

本发明提供一种改进的实现高分辨率A/D转换器的方法。旨在使用尽可能多的数字技术来缓减元件失配和非理想特性所带来的作用，否则这些作用将分辨率限制在较低水平。支持能数字校正的A/D转换器的结构与一般子区域结构一致以便对所需要的芯片面积和功率耗散有效。该结构也适合于高速运转的流水线操作，并使用有限数个数字系数来实现对电路非理想特性的校正。应用本发明意图是使A/D转换能够以远超过因电路非理想特性或破损而造成限制的精度进行。预期远超过现有技术状况的高达25MHz转换频率的16位分辨率可运用本发明由标准集成电路技术获得。

提供一种校正多级流水线子区域A/D转换器转换误差的一般结构。该转换器包括多个以级联方式相连的转换级，每一级包括一个取样保持电路、一个用于将模拟输入信号转换为对应于低子该模拟输入信号的最接近的量化级的二进制转换信号的A/D转换器、一个用于将该二进制转换信号转换为对应于低于该模拟输入信号的最接近量化级的量化模拟信号的D/A转换器、用于将该量化模拟信号从模拟输入信号中减去以产生剩余模拟信号的求和装置、以及将该用于下一转换级的剩余模拟信号进行放大的增益放大器。在每一级中，该二进制转换信号对一个单独的查寻表进行寻址以提供一个选择来补偿转换器元件非理想特性的补偿二进制信号。当将这些来自查寻表的补偿二进制信号结合或加在一起时提供一个校正的输出信号。在另一个实施例中，在最有效位各级中的二进制转换信号对公共查寻表进行寻址，而剩下各级对各自单独的查寻表进行寻址。

也提供一种利用最小均方自适应算法的校准的简单方法。这个技术容纳实际电路诸如元件失配、增益误差和电压偏移的非理想特性，也处理放大器非线性的高电平。本发明的结构可应用于任何具有任意个级和每级具有任意个位的子区域转换器。