在交錯和多信道模數(shù)轉(zhuǎn)換器中降低信道間耦合的方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及在交錯和多信道模數(shù)轉(zhuǎn)換器中降低信道間耦合的方法和裝置。一種用于減少具有多個信道的電路中的信道間耦合的方法和相應(yīng)的裝置，包括注入隨機(jī)確定抖動量到具有多個信道的電路的第一信道，注入抖動后，獲得所述多個信道中的第二信道的輸出信號。確定表示所述注入抖動和所述輸出信號之間的相關(guān)程度的相關(guān)值；和減少由于與所述第一信道交叉耦合而施加到所述第二信道的電荷量。其中所減少的量被計算為所述相關(guān)值的函數(shù)。
【專利說明】在交錯和多信道模數(shù)轉(zhuǎn)換器中降低信道間耦合的方法和裝
[0001]相關(guān)申請交叉引用
[0002]本申請根據(jù)美國專利法案35USC§ 119(e)，要求2011年11月14日提交的美國臨時專利申請?zhí)?1/559，361的全部利益，其內(nèi)容在此通過引用將整體并入本文。
【背景技術(shù)】
[0003]模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)經(jīng)常包括多個輸入/輸出路徑(信道)，在其中輸入信號被處理以產(chǎn)生對應(yīng)的輸出信號。交錯和多信道模數(shù)轉(zhuǎn)換器很容易由于信道間交叉耦合發(fā)生性能下降。性能下降的原因包括反沖(kick-back)和記憶效應(yīng)，與單信道的ADC相比，這兩
者可以更嚴(yán)重。
[0004]圖1示出傳統(tǒng)的多信道流水線ADC(Pipeline ADC)的方框圖。為了說明的目的，只顯示了兩個信道。但可以理解的是，任何多個信道都可能存在。關(guān)于各信道各級之間的結(jié)構(gòu)和互連，第一信道105和第二信道205可以是相同的。每個信道可以包括任何數(shù)量的流水線級。在一個多信道ADC，每個信道可以獨立地進(jìn)行操作。例如，當(dāng)信道205采樣和轉(zhuǎn)換第二數(shù)據(jù)信號時，信道105可以采樣和轉(zhuǎn)換第一數(shù)據(jù)信號。相比于使用單信道采樣數(shù)據(jù)信號，在交錯ADC中，該信道可以交替的方式采樣相同的數(shù)據(jù)信號、并且所有信道的輸出可被組合，以提供更有效的采樣 率。
[0005]在信道105中，三個級100、110、120連續(xù)連接，使得一個級的輸出可以作為下一級的輸入。為便于說明，僅示出前兩個級和最終的(第N個)級。然而，任何數(shù)量的級都可以這種方式連接。第一級100詳細(xì)示出，并連接到模擬輸入電壓Vin，包括ADClO (也被稱為“閃存”)和乘法數(shù)-模轉(zhuǎn)換器(MDAC) 50。MDAC50包括數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(DAC) 20和放大器30。Vin是ADClO的輸入，產(chǎn)生數(shù)字輸入到DAC20，其反過來將ADClO的數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換回模擬信號。該DAC20的模擬輸出從Vin中減去，得到一個殘余信號，然后被輸入到放大器30，以產(chǎn)生模擬輸出電壓VO作為下一個級，即級110，的輸入。級100、110、120可以包括類似的元件，其中一個級的模擬輸出作為下一級的輸入，以執(zhí)行Vin的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換。然而，最后的級，即級120，可以不包括DAC和放大器，因為ADC的最終輸出是數(shù)字信號，例如直接從ADClO輸出生成。
[0006]在單信道ADC中，在采樣級，一組電容可通由輸入信號源充電，然后再在保持(放大)級，切換連接到參考電壓源。當(dāng)電容在下一個采樣級切換回輸入信號源中，存儲在電容中的剩余電荷可以在采樣級疊加到輸入信號源的值。這個“反沖”的一部分可以在采樣級結(jié)束時由輸入網(wǎng)絡(luò)采樣。這個“反沖”是非線性，由于電荷注入回到ADC的量不是輸入值的線性函數(shù)。因此，不可能只用輸入值，例如通過縮放輸入值，糾正“反沖”。
[0007]反沖”也可在多信道或交錯設(shè)置中產(chǎn)生不利影響，從而導(dǎo)致在信號-噪聲比(Signal-to-Noise Ratio,簡稱 SNR)和無雜散動態(tài)范圍(Spurious Free Dynamic Range,簡稱SFDR)的性能下降，以及因為積分非線性(Integral Nonlinearity,簡稱INL)線性跳躍導(dǎo)致小信號線性度的下降。由于交叉耦合可能有兩種類型的反沖。第一種類型的反沖是由于在信道電容上采樣的輸入信號可被轉(zhuǎn)到另一信道電容上采樣。第二種類型的反沖是由于DAC20中電容的電荷被轉(zhuǎn)到另一信道的采樣電容。例如，可能會發(fā)生:當(dāng)在DAC20中的電容也被用來作為其它信道的采樣電容并且其他信道采樣之前將不會被復(fù)位。
[0008]除了共享DAC電容、共享元件(例如放大器和電容)，在沿信道的其它位置的共享也可以產(chǎn)生耦合。例如，放大器30可以在信道105的第一級100和信道205的第一級200之間共享。在另一個例子中，在第一信道105的第一級100的放大器30的反饋電容可與所述第二信道205的第一級200的放大器共享。因為在信道之間交替使用共享元件是可能的。因此，信道105、205可以經(jīng)由共享元件耦合，以便，除了上述的反沖作用還可產(chǎn)生記憶效應(yīng)，其中在一個信道樣本污染另一個信道的當(dāng)前樣本之前，導(dǎo)致可以降低SNR、SFDR和小信號線性度的級間錯誤。
[0009]在交錯ADC，交叉耦合效應(yīng)可限制交錯的信道的數(shù)目不超過2。在兩個交錯的信道，信道在交替時鐘周期中進(jìn)行采樣，以使沒有重疊的樣本發(fā)生。然而，具有三個或更多交錯的信道，樣本可能重疊，導(dǎo)致在采樣期間發(fā)生失靈(例如，反沖)。因此，操作可能需要被限制，以便當(dāng)在特定的信道輸入被采樣時，不發(fā)生信道切換。
[0010]在多信道模數(shù)轉(zhuǎn)換器，元件通常不被共享。然而，信道間的交叉耦合仍然可能通過其他耦合機(jī)制發(fā)生。例如，當(dāng)位于同一基板或電路板的信道連接到公共參考信號，例如地面，或位于靠近彼此處，交叉耦合可能發(fā)生。雖然相對于交錯式模數(shù)轉(zhuǎn)換器(由于信道的輸出通常是獨立的)，交叉耦合效應(yīng)不那么嚴(yán)重，性能仍然可以被明顯影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的示范實施例提供了降低具有多個信道的電路的信道之間的耦合。本發(fā)明的一個示范實施例涉及一種方法，包含:注入隨機(jī)確定抖動量到具有多個信道的電路的第一信道；注入抖動后，獲得所述多個信道中的第二信道的輸出信號。該方法還包含確定表示所述注入抖動和所述輸出信號之間的相關(guān)程度的相關(guān)值；和減少由于與所述第一信道交叉耦合而施加到所述第二信道的電荷量，其中所減少的量被計算為所述相關(guān)值的函數(shù)。
[0012]本發(fā)明的一個示范實施例涉及一種裝置，包含:注入電路、檢測電路、相關(guān)電路和校正電路。注入電路注入隨機(jī)確定抖動量到具有多個信道的電路的第一信道。檢測電路在注入抖動后，獲得所述多個信道的第二信道的輸出信號。相關(guān)電路確定表示所述注入抖動和所述輸出信號之間的相關(guān)程度的相關(guān)值。校正電路減少由于與所述第一信道交叉耦合施加到所述第二信道的電荷量，其中所減少的量被計算為所述相關(guān)值的函數(shù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1示出傳統(tǒng)的流水線ADC的框圖。
[0014]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的用于減少耦合的示例性系統(tǒng)。
[0015]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的耦合減少的示例性方法。
【具體實施方式】
[0016]本發(fā)明涉及用于在具有多個信道的電路減少反沖和存儲的系統(tǒng)。
[0017]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性系統(tǒng)150。系統(tǒng)150可以包括如上所述的信道105、205、耦合減小電路300。減小電路300可包括抖動注入電路310、檢測電路320、相關(guān)電路330和校正電路340。
[0018]抖動注入電路310可包括用于在每個信道中一個或多個位置處產(chǎn)生和注入抖動的電路裝置。在一個實施例中，減小電路300可包括連接27用于將作為模擬電壓信號的抖動注入每個信道105、205的每個級的所選擇的位置。如下面所解釋的，抖動可能會在預(yù)定的電壓范圍內(nèi)生成隨機(jī)電壓，并施加到每個級的合適注入位置中。用于產(chǎn)生和施加規(guī)定的電壓的任何方法可被用來提供該抖動。例如，使用開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)，偽隨機(jī)數(shù)字值可以用于產(chǎn)生抖動電壓。抖動然后可以通過在每個級與采樣電容(例如在位于每個DAC20的采樣電容)并聯(lián)的一個或多個電容注入。其他的注入方法也是可能的。
[0019]該耦合減小電路300可以包括用于處理由流水線產(chǎn)生的數(shù)字值的電路。流水線從不同級產(chǎn)生位，通過使用適當(dāng)?shù)碾娐愤m當(dāng)?shù)亟M合這些位，可對在流水線中的任何點的模擬信號構(gòu)造其數(shù)字表征。因此，電路300可以包括用于接收每個信道105、205的總體輸出(例如，最后級的輸出)和/或各級的輸出(例如，除了最后級的由各級所產(chǎn)生的模擬電壓)的電路裝置。在一個實施例中，減小電路300可包括連接29，用于檢測每個級的數(shù)字輸出。每個級的輸出可以被組合，例如，使用構(gòu)造電路，以產(chǎn)生表征每個信道的105、205輸出的單個數(shù)字值，即，模擬輸入Vinl的或VIN2的數(shù)字化版本。以這種方式，電路300可以得到整個信道的輸出和個別輸出V0。由于所有ADC提供數(shù)字輸出，附加的檢測電路可不是必需的，例如，檢測電路320可以包括預(yù)先存在的硬件。
[0020]在另一個實施例中，用于處理由流水線所產(chǎn)生數(shù)字位的電路，例如，構(gòu)造電路，可以設(shè)置在電路300外，常規(guī)的ADC通常包括構(gòu)造電路，其可容易地適用于根據(jù)本發(fā)明實施例的率禹合減小電路。
[0021]相關(guān)電路330可以接收檢測電路320每個信道的輸出并將抖動關(guān)聯(lián)到輸出。相關(guān)性可以使用任何統(tǒng)計相關(guān)技術(shù)來進(jìn)行。在一個實施例中，所使用的相關(guān)技術(shù)是最小均方(Least Mean Squares,簡稱LMS)。米用LMS算法,相關(guān)電路330可以確定一個增益系數(shù)的GC(或者在本文中稱為耦合系數(shù))表示在注入抖動和信道輸出之間的相關(guān)性水平(例如，由于率禹合)。
[0022]校正電路340可包括用于修改信道輸出、以減少耦合效應(yīng)的電路。校正電路340可以包括存儲器，用于存儲校正耦合效應(yīng)、以及來自抖動注入本身產(chǎn)生效應(yīng)的校正值。例如，第一校正值可以對應(yīng)于注入抖動所造成的反沖，而第二校正值可以對應(yīng)于之前樣本輸入信號所造成的反沖。校正電路360可以數(shù)字減法器實現(xiàn)，從被選擇用于校正的信道輸出減去校正值。
[0023]現(xiàn)在將參照圖3描述用于降低耦合效應(yīng)的示例性方法400。方法400可以在第410步開始，在這里產(chǎn)生并注入抖動。根據(jù)本發(fā)明示例性的實施例，在交錯和多信道ADC中的反沖通過注入抖動到對應(yīng)于擾動信道某處的合適位置，然后在被擾動信道某處檢測抖動來降低。例如，抖動可以在第一級閃存(例如，ADC10)，或在第一級閃存和第一級MDAC(例如，DAC20的輸入)注入。當(dāng)抖動是在MDAC和閃存注入，抖動值可以是，但不必是類似值。例如，當(dāng)抖動值不必是相同的，選擇在彼此的特定范圍之內(nèi)的抖動值也可能是有利的。當(dāng)抖動只有在MDAC或閃存注入，其測量MDAC放大器的增益(即級間增益)。如果在MDAC和閃存注入，當(dāng)輸入?yún)⒖紩r，它可以測量整個級(或ADC)的增益，而不只是MDAC放大器增益。因此，由級間增益誤差導(dǎo)致的耦合可以通過注入抖動到MDAC或閃存而減小，但不能同時到MDAC和閃存而減小。另一方面，作為整體增益誤差出現(xiàn)的耦合(即在輸入有誤差)可以通過注入抖動到MDAC和閃存而減小。
[0024]抖動可以隨機(jī)確定電壓Vd的形式注入，它是在施加的位置處疊加到現(xiàn)有的電壓。然后，注入抖動的效果可在另一個信道的輸出(例如在信道205的輸出)被檢測?！皵_動”(offending)信道和“被擾動”(offended)信道的角色可以替換，使每個信道都有機(jī)會被選擇以校正源自那個特別信道的交叉耦合效應(yīng)。在一個實施例中，一個信道被選定為擾動者且其他每個信道依次被選擇來被擾動。一旦所有的額外的信道已被選擇并測試，一個不同的信道被選為下一個擾動者并且反復(fù)測試，直到每個信道已經(jīng)被從擾動者和被擾動者兩個角度來分析。
[0025]在步驟412，可以得到被擾動信道的輸出。使用檢測電路320可以獲得輸出。
[0026]在步驟414，被擾動信道的輸出可與抖動關(guān)聯(lián)來確定增益系數(shù)。當(dāng)減小電路300被配置來校正反沖作用，其相關(guān)性可以使用如下LMS算法進(jìn)行:Gc(A，B)n+1 = Ge (A, B)η- μ *Vd (B) * [Vd (B) *Gc (A, B) n-Vin (A)]
[0027]其中，μ是一個LMS步長常數(shù)，Vd(B)是在B信道中注入的抖動，Vin (A)是信道A的整體輸出(即，在A信道中的第一級輸入的模擬輸入信號Vin的數(shù)字化版本)，且Ge (Α, B)是從信道B (擾動者)到信道A (被擾動者)的增益系數(shù)，考慮到當(dāng)ADC是交錯的，在信道B的取樣可相對于信道A輸出的信號在時間上錯開(例如，存在于先前的時鐘周期)。換句話說，Vin(A)在相應(yīng)于當(dāng)Vd(B)的交叉耦合效應(yīng)被預(yù)期將在信道A的被擾動的信道觀察到的時間被獲得。在抖動僅被注入到一個位置(例如，MDAC或閃存)，Vd(B)等于施加在該位置上的電壓的數(shù)字值。當(dāng)抖動被注入到超過一個位置，Vd(B)等于所有施加電壓的數(shù)字值總和。
[0028]當(dāng)減小電路300被配置來校正記憶效應(yīng)，該相關(guān)性可以使用如下的LMS算法來執(zhí)行:
[0029]Ge (Α, B) n+1 = Ge (A, B) η_ μ *Vd (B) * [Vd (B) *Ge (A, B) n_V0 (A)]
[0030]其中VO(A)是對應(yīng)于在信道A上的被擾動位置的特定級的VO輸出的數(shù)字值，Vd(B)是在共享元件位置注入到信道B的抖動的數(shù)字值(例如，與VO(A)被獲得處相同的級)，Ge(A，B)為B信道到信道A在V(KA)被獲得的級的輸出處的增益系數(shù)，考慮到當(dāng)ADC是交錯的，在信道B的取樣可相對于信道A相應(yīng)級的輸出的信號在時間上錯開。
[0031]在416，校正信號作為步驟414確定的增益系數(shù)的函數(shù)被施加到被擾動信道。如上所述，校正信號可包括相應(yīng)于來自注入抖動耦合效應(yīng)的元件，以及一個來自輸入采樣耦合效應(yīng)的元件。
[0032]在前面的說明書中，參考具體的示例性實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述。然而，顯而易見，可以做出各種修改和變化而不脫離如在權(quán)利要求中所闡述的本發(fā)明更廣泛的精神和范圍。例如，抖動可被注入在任何特定的電路位置，其效應(yīng)可在任何其他電路位置被檢測，以捕捉這兩個位置之間的耦合系數(shù)。因此，雖然本發(fā)明已以與交錯的和多信道ADC關(guān)聯(lián)的方式進(jìn)行了描述，可以采用多方面的實施例以減少多個信道的任何電路的耦合。此外，任何兩個位置之間的任何耦合可以被減少。另外，相關(guān)性可以通過對Vd的高階項(例如，Vd2、Vd3、Vd4等)取代來修正高階效應(yīng)。本文所描述的實施例可以呈現(xiàn)彼此結(jié)合以各種組合。本說明書和附圖相應(yīng)的應(yīng)被認(rèn)為具有說明性的而非限制性的意義。
【權(quán)利要求】
1.一種方法，包括: 注入隨機(jī)確定抖動量到具有多個信道的電路的第一信道； 注入抖動后，獲得所述多個信道中的第二信道的輸出信號； 確定表示所述注入抖動和所述輸出信號之間的相關(guān)程度的相關(guān)值；和 減少由于與所述第一信道交叉耦合而施加到所述第二信道的電荷量， 其中所減少的量被計算為所述相關(guān)值的函數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述抖動作為隨機(jī)生成的數(shù)字值的函數(shù)注入。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述抖動是通過在所述第一信道現(xiàn)有的電壓信號疊加隨機(jī)生成電壓而注入。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，使用兩個成分計算出所述減少的量: 在所述第一信道輸入信號采樣而施加的電荷量；和 由注入所述抖動而施加的電荷量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中: 每個信道是模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器中的多級流水線；和 抖動注入到所述第一信道的所選擇級的數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)元件 和所選擇級的閃存元件中至少一個。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中: 每個信道是模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器中的多級流水線；和 在所述第一和第二信道之間共享至少一個元件；和 抖動注入到所述第一信道的所選擇級的數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)元件 和所選擇級的閃存元件中的一個。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的所述的方法，其中所述至少一個元件包括至少一個放大器和采樣電容。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括: 當(dāng)用所述多個信道中一個不同的信道取代所述第一和第二信道中的至 少一個時，重復(fù)權(quán)利要求1所述的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中:繼續(xù)重復(fù)，直到所述多個信道中的每個信道已經(jīng)被選擇用于注入以及減少。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述相關(guān)值是使用最小均方(LMS)算法確定，其中抖動的二階或更高條件與所述輸出信號相關(guān)。
11.一種裝置，包括: 注入電路，其注入隨機(jī)確定抖動量到具有多個信道的電路的第一信道； 檢測電路，其在注入抖動后，獲得所述多個信道的第二信道的輸出信 號; 相關(guān)電路，用于確定表示所述注入抖動和所述輸出信號之間的相關(guān)程 度的相關(guān)值；和 校正電路，用于減少由于與所述第一信道交叉耦合施加到所述第二信 道的電荷量，其中所減少的量被計算為所述相關(guān)值的函數(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中，所述抖動作為隨機(jī)生成的數(shù)字值的函數(shù)注入。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中所述抖動是通過在所述第一信道現(xiàn)有的電壓信號疊加隨機(jī)生成電壓而注入。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的所述的裝置，其中，使用兩個成分計算出減少的量: 在所述第一信道輸入信號采樣而施加的電荷量；和 由注入所述抖動而施加的電荷量。
15.權(quán)利要求11所述的裝置，其中: 每個信道是模擬 -數(shù)字轉(zhuǎn)換器中的多級流水線；和 抖動注入到所述第一信道的所選擇級的數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)元件 和所選擇級的閃存元件中至少一個。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中: 每個信道是模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器中的多級流水線；和 在所述第一和第二信道之間共享至少一個元件；和 抖動注入到所述第一信道的所選擇級的數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)元件 和所選擇級的閃存元件中的一個。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其中所述至少一個元件是放大器或采樣電容。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中: 當(dāng)用所述多個信道中一個不同的信道取代所述第一和第二信道中的至 少一個時，重復(fù)抖動注入、獲得輸出信號、確定所述相關(guān)值，并減小 施加到所述第二信道電荷的數(shù)量。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其中，所述重復(fù)繼續(xù)，直到所述多個信道中的每個信道已經(jīng)被選擇用于注入以及減少。
20.權(quán)利要求11的方法，其中所述相關(guān)值是使用最小均方(LMS)算法確定，其中抖動的二階或更高條件與所述輸出信號相關(guān)。
【文檔編號】H03M3/00GK103947119SQ201280055820
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2012年9月7日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月14日
【發(fā)明者】A·M·A·阿里, H·迪恩克 申請人:美國亞德諾半導(dǎo)體公司