本發(fā)明涉及集成電路技術領域，特別涉及一種應用于無采保模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入回踢非線性的校準電路及校準方法。

背景技術：

隨著半導體技術的迅速發(fā)展，高速高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器已廣泛應用于數(shù)字通訊、軍事雷達等領域。流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為目前主流的ADC產(chǎn)品之一，能夠很好的兼顧速度與精度的要求。在流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，采樣保持電路消耗了大量的功耗，同時帶來很多噪聲和非線性，因此無采保流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器逐漸成為主流。

無采保的流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器在采樣相時，電容上的殘留上一次輸入信號的量化值，該量化值對輸入信號有回踢效應，嚴重影響輸入信號采樣線性度?；靥叻蔷€性度的大小與采樣網(wǎng)絡的帶寬，采樣時鐘周期和第一級量化精度有關。傳統(tǒng)的消除回踢非線性方法是在采樣前，設置一個復位相將上次量化值復位，從而徹底消除回踢非線性，但該復位相消耗了一定的功耗，且占用了采樣相位的時間，不適合高速高精度的應用。

技術實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提出一種應用于無采保模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入回踢非線性的校準電路及校準方法，避免使用多余復位相來消除量化殘余電荷，適合高速高精度的應用，且校準算法是基于相關的后臺算法，在數(shù)字域進行誤差評估和消除，對模擬電路改動很小，不打斷模數(shù)轉(zhuǎn)換器的正常工作。

技術方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：

一種應用于無采保模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入回踢非線性的校準電路，包括余量放大器、后級模數(shù)轉(zhuǎn)換器、子模數(shù)轉(zhuǎn)換器、非線性誤差估算模塊、校準模塊、偽隨機數(shù)發(fā)生器、子數(shù)模轉(zhuǎn)換器、第一電容、第二到第N+2電容、第一開關、第二開關、第三開關、第四開關、第五開關、第六開關、第七到第N+7開關；其中：

所述余量放大器的反相端通過第三開關連接到余量放大器的同相端，余量放大器的反相端連接到第一電容和第二到第N+2電容的右極板，余量放大器的同相端接地，余量放大器的輸出通過第二開關連接第一電容的左極板、同時接到后級模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端；

所述后級模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入通過第二開關連接第一電容的左極板，后級模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出連接非線性誤差估算模塊和校準模塊；

所述子模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入通過第六開關接輸入信號Vin，子模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出連接到校準模塊和子數(shù)模轉(zhuǎn)換器；

所述偽隨機數(shù)發(fā)生器的輸出通過第四開關連接到第二到第N+2電容中的某一個電容Csi的左極板，偽隨機數(shù)發(fā)生器的輸出連接校準模塊的一個輸入，偽隨機數(shù)發(fā)生器的輸出連接非線性誤差估算模塊的一個輸入；

所述子數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入連接到子模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出，子數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出通過第五開關連接到第二到第N+2電容中除Csi以外的電容左極板；

所述非線性誤差估算模塊的輸入接后級模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出，非線性誤差估算模塊的輸入接偽隨機數(shù)發(fā)生器的輸出，非線性誤差估算模塊的輸出接校準模塊的一個輸入；

所述校準模塊的一個輸入接后級模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出，校準模塊的一個輸入接非線性誤差估算模塊的輸出，校準模塊的一個輸入接子模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出，校準模塊的一個輸入接偽隨機數(shù)發(fā)生器的輸出，校準模塊的輸出為整個模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出；

所述第一電容的左極板通過第一開關連接到輸入信號Vin，第二到第N+2電容的左極板通過第七到第N+7開關連接到輸入信號Vin，第二到第N+2電容中的某一個電容Csi的左極板通過第四開關連接到偽隨機數(shù)發(fā)生器的輸出，第N+2電容中的除電容Csi以外的電容左極板通過第五開關連接到子模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出；

所述第一開關的A端連接第一電容的左極板和第二開關的A端，第一開關的B端連接輸入信號；

所述第二開關的A端連接第一電容的左極板和第一開關的A端，第二開關的B端連接余量放大器的輸出和后級模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入；

所述第三開關的A端連接余量放大器的同相輸入端，B端連接余量放大器的反相輸入端；

所述第四開關的A端連接第二到第N+2電容中的某一個電容Csi的左極板，第四開關的B端連接到偽隨機數(shù)發(fā)生器的輸出；

所述第五開關的A端連接到第二到第N+2電容中除Csi以外的電容左極板，第五開關的B端連接到子數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出；

所述第六開關的A端連接到后級模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入，第五開關的B端連接到輸入信號Vin；

所述第七到第N+7開關的A端分別連接第二到第N+2電容的左極板，第七到第N+7開關的B端連接到輸入信號Vin。

一種應用于無采保模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入回踢非線性的校準電路的校準方法，包括如下具體步驟：

步驟1：當時鐘為高時，第一開關、第七到第N+7開關、第六開關和第三開關同時導通，輸入信號以及回踢非線性分量被采樣到第一電容、第二到第N+2電容以及子模數(shù)轉(zhuǎn)換器上；

步驟2：當時鐘為高時，第N+2電容中的某一個電容Csi的左極板連接到偽隨機數(shù)發(fā)生器，實現(xiàn)偽隨機數(shù)信號注入；電容Csi可以任意選擇Cs1到CsN中的一個，除Csi外的其它電容左極板連接到子數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出，子數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入為子模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出，第一電容連接到余量放大器的輸出，形成負反饋，余量放大器的輸出Vres帶有回踢非線性誤差以及注入的偽隨機數(shù)分量。

步驟3：余量放大器的輸出Vres經(jīng)過后級模數(shù)轉(zhuǎn)換器量化，得到數(shù)字值Dres，該值含有回踢非線性分量，通過與偽隨機數(shù)作相關運算得到回踢非線性參數(shù)k，校準模塊將Dres中注入的偽隨機分量和回踢非線性分量去除得到正確的數(shù)字編碼并與子模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出相加得到整個模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出。

本發(fā)明的有益效果：回踢非線性校準算法和校準電路應用于無采保的流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，通過注入偽隨機數(shù)提取回踢非線性系數(shù)，并在數(shù)字域消除回踢非線性誤差，得到正確的數(shù)字編碼。并且在原有的電路基礎上只是將一個采樣電容分裂成N個，并不影響模擬電路工作速度。本發(fā)明校準電路增加偽隨機數(shù)發(fā)生器、誤差估算模塊和校準模塊，但這些模塊都在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)，隨著集成電路工藝的進步，增加的數(shù)字開銷越來越小，數(shù)字校準在后臺工作不會打斷模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作。相比于傳統(tǒng)的增加復位相技術，本發(fā)明降低整體電路功耗提高采樣線性度的同時，不影響轉(zhuǎn)換速度。

附圖說明

圖1為無采保流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器前端以及校準方法；

圖2為回踢非線性系數(shù)k的仿真收斂曲線；

圖3為回踢非線性校準前后的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的動態(tài)性能；

圖4為采用本發(fā)明的校準算法后模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的動態(tài)性能。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

一種應用于無采保模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入回踢非線性校準電路及校準方法，包括余量放大器100、后級模數(shù)轉(zhuǎn)換器101、子模數(shù)轉(zhuǎn)換器102、非線性誤差估算模塊200、校準模塊201、偽隨機數(shù)發(fā)生器103、子數(shù)模轉(zhuǎn)換器104、第一電容Cf、第二到第N+2電容(Cs1到CsN)、第一開關Sf1、第二開關Sf2、第三開關S1p、第四開關Spn、第五開關Sdac、第六開關Sadc、第七到第N+7開關(S1到Sn)。

其中：余量放大器100的反相端通過第三開關S1p連接到余量放大器100的同相端，余量放大器100的反相端連接到第一電容Cf和第二到第N+2電容(Cs1到CsN)的右極板，余量放大器100的同相端接地，余量放大器100的輸出通過第二開關Sf2連接第一電容Cf的左極板、同時接到后級模數(shù)轉(zhuǎn)換器101的輸入端，從而余量放大器的輸出給后級模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行量化；后級模數(shù)轉(zhuǎn)換器101的輸入通過第二開關Sf2連接第一電容Cf的左極板，后級模數(shù)轉(zhuǎn)換器101的輸出連接非線性誤差估算模塊200和校準模塊201，其輸出包含回踢非線性誤差和注入的偽隨機分量，誤差估算模塊計算誤差系數(shù)，校準模塊消除回踢非線性誤差；所述子模數(shù)轉(zhuǎn)換器102的輸入通過第六開關Sadc接輸入信號Vin，子模數(shù)轉(zhuǎn)換器102的輸出連接到校準模塊201和子數(shù)模轉(zhuǎn)換器104，進行第一級信號量化，其輸出參與最終編碼；偽隨機數(shù)發(fā)生器103的輸出通過第四開關Spn連接到第二到第N+2電容(Cs1到CsN)中的某一個電容Csi，從而實現(xiàn)偽隨機數(shù)的注入，偽隨機數(shù)發(fā)生器103的輸出連接校準模塊201的一個輸入，在最終的數(shù)字輸出中去掉注入的偽隨機數(shù)，偽隨機數(shù)發(fā)生器103的輸出連接非線性誤差估算模塊200的一個輸入，對數(shù)字量Dres進行相關運算；子數(shù)模轉(zhuǎn)換器104的輸入連接到子模數(shù)轉(zhuǎn)換器102的輸出，子數(shù)模轉(zhuǎn)換器104的輸出通過第五開關Sdac連接到第二到第N+2電容(Cs1到CsN)中除Csi以外的電容左極板；校準模塊201的一個輸入接后級模數(shù)轉(zhuǎn)換器101的輸出，校準模塊201的一個輸入接非線性誤差估算模塊200的輸出，校準模塊201的一個輸入接子模數(shù)轉(zhuǎn)換器102的輸出，校準模塊201的一個輸入接偽隨機數(shù)發(fā)生器103的輸出，校準模塊201的輸出為整個模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出；第一電容Cf的左極板通過第一開關Sf1連接到輸入信號Vin，第二到第N+2電容(Cs1到CsN)的左極板通過第七到第N+7開關(S1到Sn)連接到輸入信號Vin，第二到第N+2電容(Cs1到CsN)中的某一個電容Csi的左極板通過第四開關Spn連接到偽隨機數(shù)發(fā)生器103的輸出，第N+2電容(Cs1到CsN)中的除電容Csi以外的電容左極板通過第五開關Sdac連接到子模數(shù)轉(zhuǎn)換器102的輸出。

回踢非線性校準工作在后臺，不影響模數(shù)轉(zhuǎn)換器的正常工作。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考電壓歸一化為±1，即輸入信號范圍在-1到1之間，子數(shù)模轉(zhuǎn)換器104的輸出有三個值1、0和-1，以方便解釋本發(fā)明的工作過程。采樣電容Cs被分裂成N個相等的電容Cs1到CsN，其中任意一個電容Csi實現(xiàn)偽隨機數(shù)注入。假設模數(shù)轉(zhuǎn)換器處于第n-1個時鐘相位，在時鐘相位為高時，余量放大器100工作在放大狀態(tài)，電容Cs1到CsN中的除了Csi外的所有電容左極板接到子模數(shù)轉(zhuǎn)換器102的輸出D1(n-1)，而該值為本級子模數(shù)轉(zhuǎn)換器102對輸入信號Vin(n-1)的粗量化值，電容Csi接到偽隨機數(shù)發(fā)生器103的輸出PN(n-1)，實現(xiàn)偽隨機數(shù)的注入，偽隨機數(shù)發(fā)生器的輸出為1或者-1，且1和-1出現(xiàn)的概率相等。當?shù)趎個時鐘周期到來，處于為高時，輸入信號同時連接到電容Cf和Cs1到CsN上進行采樣，除了Csi外的電容Cs1到CsN上殘留的D1(n-1)會同時進行放電，但由于采樣網(wǎng)絡有限的帶寬以及有限的時鐘周期，采樣結(jié)束時，D1(n-1)仍然殘留部分電壓與Vin(n)疊加，假設殘留的電壓為k*D1(n-1)*Vref，式中Vref為基準電壓，k為回踢非線性系數(shù)，由于Csi和其它電容處于同樣的采樣網(wǎng)絡中，其帶寬和時鐘周期與其它電容一致，所以PN(n-1)也會殘留k*PN(n-1)的電壓，當?shù)趎個時鐘周期的為高時，余量放大器的輸出為：

公式(1)中含有k的分量為記憶效應，假設后級模數(shù)轉(zhuǎn)換器101是理想的模數(shù)轉(zhuǎn)換器則Dres＝Vres，非線性誤差估算模塊200利用偽隨機數(shù)發(fā)生器的輸出和Dres進行回踢非線性系數(shù)k的提取：

其中是相關運算符號，偽隨機數(shù)±1的作相關運算的特點是自相關為1，而PN(n-1)是偽隨機數(shù)，將Dres中的其它分量相關為噪聲，非線性誤差估算模塊200進行P-1次相關運算并求得平均值，如果P足夠大，那么公式(2)接近k,相關次數(shù)越多k的值越準，但是數(shù)字電路開銷也越大。

校準模塊201利用非線性誤差估算模塊200得到的k值、D1(n)、D1(n-1)和偽隨機數(shù)發(fā)生器103的輸出計算出最終的輸出Dout:

校準模塊201不僅消除了回踢非線性分量，且消除了偽隨機數(shù)注入分量。該算法也可以擴展到包含任意位數(shù)的第一級流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，本發(fā)明以1.5位第一級為例說明，采樣電容的分裂個數(shù)N是一個折中選擇量，N越大注入的偽隨機分量在余量輸出中越小，數(shù)字算法收斂越慢，N越小偽隨機分量越大，但是占用的冗余輸出越大，越容易溢出。

假設模數(shù)轉(zhuǎn)換器整體位數(shù)為15位，回踢非線性系數(shù)k為0.01時，圖2是該校準算法在matlab軟件中的仿真曲線，回踢非線性系數(shù)k很快收斂到0.01。圖3為存在回踢非線性時模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出動態(tài)性能，0.01的回踢非線性系數(shù)使得模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出動態(tài)性能大大降低，圖4為采用本發(fā)明的校準算法后模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的動態(tài)性能，校準后動態(tài)性能接近理想的15位轉(zhuǎn)換器，校準算法有效消除回踢非線性誤差。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不以上述實施方式為限，但凡本領域普通技術人員根據(jù)本發(fā)明所揭示內(nèi)容所作的等效修飾或變化，皆應納入權利要求書中記載的保護范圍內(nèi)。