流水線型ADC數(shù)字校正技術(shù)研究.pdf

1、隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的快速發(fā)展，對連接模擬世界與數(shù)字世界之間橋梁的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)性能要求越來越高。作為中高精度、速度ADC的代表，流水線型ADC是最常用的ADC之一，應(yīng)用非常廣泛。隨著CMOS工藝的演進(jìn)，特征線寬不斷縮小，在保證流水線型ADC高性能的同時，設(shè)計難度逐漸加大，功耗也變得越來越可觀。數(shù)字輔助校正技術(shù)的提出，使得可以利用數(shù)字信號處理技術(shù)來改善傳統(tǒng)模擬電路的性能，從而將電路性能的提高從模擬域轉(zhuǎn)移到數(shù)字域，使得模擬電路與數(shù)字

2、電路一樣不斷受益于工藝演進(jìn)，因而這一方法成為當(dāng)今集成電路設(shè)計的一個研究熱點。
　　影響流水線型ADC性能的兩大主要因素是級間余量放大器增益誤差和增益數(shù)模轉(zhuǎn)換器(MDAC)電容匹配誤差。為了提高性能，采用數(shù)字校正技術(shù)對這兩類誤差進(jìn)行校正。然而現(xiàn)有的數(shù)字校正技術(shù)存在數(shù)字硬件代價過高、需要增加模擬硬件開銷、校正精度有限等問題。本論文分別從降低數(shù)字硬件代價、降低模擬硬件開銷、提高校正精度等角度出發(fā)，對流水線型ADC數(shù)字校正技術(shù)進(jìn)行了研究，

3、主要工作內(nèi)容包括：
　　為了對流水線型ADC數(shù)字校正技術(shù)進(jìn)行研究，需要對系統(tǒng)中的各種非理想因素、電路中各個模塊工作細(xì)節(jié)以及校正算法進(jìn)行模擬，此時建立高層次行為級仿真平臺就變得非常重要。本文采用硬件描述語言Verilog-A和Verilog建立了一個流水線型ADC數(shù)字校正技術(shù)行為級仿真平臺。在電路設(shè)計完成之后，需要一個真實的平臺來對校正算法的硬件代價和功耗等進(jìn)行評估，基于這一點，建立了一個基于FPGA的流水線型ADC數(shù)字校正技術(shù)驗證

4、平臺。這兩項工作為數(shù)字校正算法的研究提供通用的仿真驗證平臺，從而為本文后續(xù)的研究奠定基礎(chǔ)。
　　為了降低流水線型ADC功耗，采用開環(huán)結(jié)構(gòu)的放大器來作為級間運算放大器，對于開環(huán)放大器引入的非線性失真，通常采用基于統(tǒng)計規(guī)律的數(shù)字校正算法來校正。傳統(tǒng)的基于統(tǒng)計規(guī)律的數(shù)字校正算法通常將非線性誤差值存儲在高速ROM(Read Only Memory，ROM)中，然后通過查表法來獲得誤差值。其中存在的問題是需要使用一部分高速ROM，導(dǎo)致設(shè)計成

5、本較高，并且校正范圍受到ROM容量的限制。針對這一點，提出了一種采用分段線性插值法來估計級間運算放大器非線性誤差的流水線型ADC后臺數(shù)字校正算法。這種算法首先利用信號傳輸?shù)慕y(tǒng)計規(guī)律，通過分段線性插值法來計算級間運算放大器的非線性誤差，然后將該誤差在后級中補(bǔ)償給放大器所在子級的數(shù)字輸出碼，從而達(dá)到校正的目的。該算法中的非線性誤差通過計算得到，而不是存儲在ROM中，可以降低存儲器開銷，從而降低校正代價。
　　為了對MDAC中級間運算放

6、大器誤差和電容不匹配誤差同時進(jìn)行校正，需要建立MDAC傳輸函數(shù)模型。在以前類似的校正算法中，建立MDAC傳輸函數(shù)模型通常需要設(shè)計專門的參考ADC，這種做法會增加模擬部分電路設(shè)計難度和模擬電路硬件開銷。鑒于此，提出了一種采用統(tǒng)計規(guī)律來建立MDAC傳輸函數(shù)模型，從而估計非線性誤差，進(jìn)而對該誤差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臄?shù)字校正算法。這種算法首先利用輸入信號的統(tǒng)計規(guī)律來建立MDAC傳輸函數(shù)模型，然后利用該模型來估計MDAC非線性誤差，最后把估計所得的誤差在后

7、級進(jìn)行補(bǔ)償。這種校正算法建立MDAC傳輸函數(shù)模型不需要額外設(shè)計參考ADC，大大降低了模擬電路設(shè)計復(fù)雜度和模擬硬件開銷。仿真結(jié)果表明，該算法能有效地消除級間運算放大器誤差和電容失配誤差的影響，從而提高ADC的線性度。
　　為了降低流水線型ADC系統(tǒng)功耗，可以選用低增益的運算放大器、Class-AB型放大器、開環(huán)放大器等結(jié)構(gòu)的放大器作為級間增益放大器，這一類的放大器非線性失真都比較嚴(yán)重，需要采用數(shù)字方式進(jìn)行校正。針對以前的確定性數(shù)字校

8、正算法采用三次多項式對Class-AB型運算放大器傳輸函數(shù)進(jìn)行近似，導(dǎo)致校正精度過低的問題，提出了一種采用測試信號來建立開環(huán)放大器傳輸函數(shù)模型，從而對放大器非線性誤差進(jìn)行校正的確定性數(shù)字校正算法。該算法通過選取最接近實際情況的傳輸函數(shù)模型對開環(huán)放大器的傳輸函數(shù)進(jìn)行近似來提高校正精度。首先在測試信號的輔助下建立開環(huán)放大器傳輸函數(shù)模型，然后通過該傳輸函數(shù)模型進(jìn)行插值運算，最后由后級ADC的數(shù)字輸出碼來估計理想的運算放大器輸入碼值，從而達(dá)到校