（检测技术与自动化装置专业论文）高性能流水线adc中数字校准算法的研究.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 主 委 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 教授 副教授 彦状 梁齐合肥工业大学副教授 出 导师：尹勇生合肥工业大学副教授 学 学 大 大 业 技 工 科巴习攀 胆 国厶谚1中武镌斌 独创性声明 本人声明所鼍交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， i i 不包含为获得金月巴工些盍堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同：基对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：苦甩仗 签字日期：2 0 f1 年 仟月 z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月里王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有荚部j 或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金自里王些太 翌一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 艺r 彳敛 导师签名： 签字日期：勘年午月j l1 9 签字日期加l f 年岬月l a 、且 学位论文作者毕业后去向： i ：作单侮： 通讯地址： 电话： 邮编： 高性能流水线a d c 中数字校准算法的研究 摘要 在s o c 时代，工艺演进使芯片系统可以高度集成，也给模拟电路的设计带 来了巨大挑战：供电电压持续降低；工艺特征尺寸按比例缩小，晶体管的本征 增益也随之减小；电容的匹配性也随之变差。与此同时，高速、高精度a d c 的 需求却对电路设计提出了更高的要求，因此在模拟电路设计中引入数字增强设 计技术成为一种趋势。借助数字校准技术可以突破l c 工艺上的物理限制保证 a d c 的性能指标，同时在可靠性、灵活性以及成本方面有很大优势。 本文以影响流水线a d c 系统性能的误差为研究重点。首先根据流水线a d c 的基本理论，详细分析了影响a d c 系统性能的各种误差源，并且给出了a d c 系统的性能参数指标；其次，在上述理论分析的基础上将对系统性能起关键作 用的误差分为两大类一一流水级子a d c 的比较器误差以及m d a c 的误差。对于 子a d c 的比较器误差，采用冗余位校正电路进行校正；对于m d a c 的误差，则 在行为级进行建模，利用内插法数字校准算法在数字域进行校准。论文最后完 成了冗余位数字校正电路的实现。 利用c 语言平台以及m a t l a b 对校准m d a c 误差的数字校准算法进行了行 为级仿真。仿真结果表明，采用传统的数字校准算法校准误差，需要的校准周 期很长，需要6 1 0 9 个时钟周期才能跟随实际误差，而且精度较差；而采用内 插法，则只需要5x1 0 8 个时钟周期就能跟随实际误差，且精度很高。与未采用 数字校准算法的流水线a d c 系统相比，采用内插法能将系统的有效位数e n o b 从1 0 7 1 b i t 提高到1 3 9 4 b i t ，s f d r 从8 7 5 8 d b 提高到1 0 9 4 5 d b ，极大提高了系 统性能。最后，基于c h a r t e r e d0 1 8 1 - l m 工艺，完成了冗余位数字校正电路的实 现，仿真结果表明，其能正确实现冗余位校正的功能。 关键词：流水线a d c ；误差；冗余位校正；数字校准；内插法 r e s e a r c ho nt h ed i g i t a lc a l i b r a t i o na l g o r i t h mo f h i g h p e r f o r m a n c ep i p e l i n e da d c a b s t r a c t t h eh i g hi n t e g r a t i o no ft h ec h i ps y s t e mc a u s e db yt e c h n o l o g ye v o l u t i o n ，l e a d s a n a l o gc i r c u i td e s i g n s t ou n p r e c e d e n t e dc h a l l e n g ei nt h es o ce r a ：t h e s u p p l y v o l t a g el o w e r i n g ，t h ei n t r i n s i ct r a n s i s t o rg a i nd e c r e a s i n ga n dc a p a c i t a n c em a t c h i n g d e t e r i o r a t i n gw i t hp r o c e s sf e a t u r e s i z e ss h r i n k m e a n w h i l e ，t h ed e s i g no fh i g h s p e e da n dh i g hp r e c i s i o na d c d e m a n d sab e t t e rc i r c u i td e s i g n t h e r e f o r e ，t h e i n t r o d u c t i o no ft h ed i g i t a ld e s i g ni na n a l o gc i r c u i td e s i g ni sat e n d e n c y d i g i t a l c a l i b r a t i o n t e c h n i q u e s c a nh e l pb r e a kt h r o u g ht h ep h y s i c a ll i m i t a t i o n so f i c t e c h n o l o g y t oe n s u r et h ea d cp e r f o r m a n c e ，a n di th a sag r e a ta d v a n t a g ei n r e l i a b i l i t y ，f l e x i b i l i t ya n dc o s t t h ep a p e rm a i n l yf o c u s e so nt h ee r r o rw h i c hi n f l u e n c e st h ep i p e l i n e da d c p e r f o r m a n c e f i r s t ，a c c o r d i n gt o t h eb a s i ct h e o r yo fp i p e l i n e da d c ，t h i sp a p e r a n a l y z e st h ev a r i o u se r r o rs o u r c e s i nd e t a i la n dp r e s e n t st h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r i n d e xo fa d cs y s t e m s e c o n d l y ，b a s i n go nt h ea b o v et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h ee r r o r s ， w h i c hp l a yac r i t i c a lr o l eo nt h es y s t e mp e r f o r m a n c e ，a r ed i v i d e di n t ot w o c a t e g o r i e s ：t h e s u b - a d cc o m p a r a t o re r r o ra n dm d a ce r r o r t h es u b - a d c c o m p a r a t o re r r o rc a nb ec o r r e c t e dw i t ht h er e d u n d a n ts i g n e dd i g i tc o r r e c t i o nc i r c u i t f o rm d a ce r r o r ，i tc a nb em o d e l e di nt h eb e h a v i o r a l ，a n dt h e nb ec o r r e c t e di nt h e d i g i t a ld o m a i nb yt h ep r o p o s e di n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mf o rd i g i t a l c a l i b r a t i o n f i n a l l y ，ar e d u n d a n ts i g n e dd i g i tc o r r e c t i o nc i r c u i ti m p l e m e n t a t i o ni sc o m p l e t e di n t h ep a p e r b a s e do ncl a n g u a g ep l a t f o r ma n dm a t l a b ，t h ed i g i t a lc a l i b r a t i o na l g o r i t h m w h i c hc a l i b r a t e sm d a ce r r o r si ss i m u l a t e di nt h eb e h a v i o r a l s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h et r a d i t i o n a ld i g i t a lc a l i b r a t i o na l g o r i t h mt a k e sal o n gt i m et oc a l i b r a t e t h ee r r o r ，a n di tr e q u i r e sa tl e a s t6x10 9c l o c kc y c l e st of o l l o wt h ea c t u a le r r o ra n d i ta l s oh a sp o o ra c c u r a c y h o w e v e r , u s i n gt h ei n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mf o rd i g i t a l c a l i b r a t i o no n l yr e q u i r e s5x10 8c l o c kc y c l e st of o l l o wt h ea c t u a le r r o ra n dt h e a c c u r a c yi sh i g h m e a n w h i l e ，c o m p a r i n gt ot h ea d cs y s t e mw i t h o u tu s i n gt h e d i g i t a lc a l i b r a t i o na l g o r i t h m ，t h ea d cs y s t e mu s i n gt h ei n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mf o r d i g i t a lc a l i b r a t i o nc a ni m p r o v ee n o bf r o m10 71 b i tt o13 9 4b i t ，a n ds f d l rf r o m 8 7 5 8 d bt o10 9 4 5 d b ，g r e a t l yi m p r o v i n gt h ea d cs y s t e mp e r f o r m a n c e f i n a l l y , b a s e do nc h a r t e r e d0 18 u mp r o c e s s ，t h er e d u n d a n ts i g n e dd i g i tc o r r e c t i o nc i r c u i t i m p l e m e n t a t i o ni sc o m p l e t e d ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i sc i r c u i tc a n c o r r e c t l yi m p l e m e n ti t sf u n c t i o n k e y w o r d s ：p i p e l i n ea d c ；e r r o r ；r e d u n d a n tc a l i b r a t i o n ；d i g i t a lc a l i b r a t i o n ； i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m 致谢 首先感谢我敬爱的导师尹勇生副教授。本论文从选题、资料收集以及最后 的实验过程，尹老师都倾注了大量的心血。感谢尹老师为我的论文提供了宝贵 的课题组项目支持平台，他一直关注着课题组项目以及我的论文的进展过程， 定期组织大家开会，听取项目的汇报，并及时给出意见，把握项目的大方向， 这也极大地推动了我的论文进展。在我们课题组的研究过程中遇到困难时，尹 老师积极帮我们解决，创造条件，甚至邀请公司的工程技术人员帮我们培训。 在整个研究生期间。尹老师不仅传授我科学知识，更以他那严谨的科研态度、 勤奋的工作态度深深感染、激励了我，这些宝贵的经验会令我一生受益。在此， 谨向恩师致以最诚挚的谢意和最崇高的敬意! 感谢我尊敬的梁上泉博士师姐。在本课题的研究过程中，梁师姐不厌其烦 的听取我的问题，并且给出了很多有意义的指导建议，使得论文得以顺利进行。 而且在读研期间三年，梁师姐一直带领着我做项目，对于项目中、学习中遇到 的问题，她也耐心的给我讲解，对于我的快速成长起到非常大的促进作用；在 生活上，梁师姐对我也非常照顾。在此，深深的感谢梁上泉博士师姐。 感谢课题组裴斐，杨淑明，黄鹏同学。在读研期间，我们一起做项目，一 起开会做技术报告，互相讨论，大家齐心进取，互相鼓励，解决了一个个的项 目难题，在此，感谢你们对我的帮助和指导，我永远记得我们这个团队。 感谢课题组的邓红辉老师，张睿博士师兄，感谢你们三年来对我学习上的 鼓励和帮助。感谢实验室已毕业的0 7 级师兄师姐们，你们不仅为我提供了宝 贵的科研经验，而且为我树立了很好的榜样! 感谢实验室的高明伦老师，林微 老师，倪伟老师，木子一老师等，感谢你们在生活上对我的帮助。 最后要特别感谢的是我的爸爸，妈妈，还有侯其立。感谢爸爸妈妈这么多 年来对我无微不至的关怀，你们无私的付出使我能够顺利的完成学业，希望我 们全家幸福安康! 特别感谢我最真诚的挚友侯其立，感谢7 年来你一直对我的 关心和鼓励，在我最困难的时候，总是你陪伴我度过，也让我顺利的完成学业。 最后，感谢所有关心我，激励我上进的朋友们。 v 作者：胡俊 2 0 11 年4 月 目录 第一章引言1 1 1研究背景“1 1 2流水线a d c 校准技术的研究和发展2 1 3论文结构安排4 第二章流水线a d c 的基本原理5 2 1a d c 的基本原理5 2 2a d c 的性能指标6 2 3流水线a d c 的基本原理1 0 2 4流水线a d c 的误差分析1 1 2 4 1子a d c 中比较器的误差1 1 2 4 2m d a c 中的误差1 2 第三章流水线a d c 的冗余位校正2 0 3 1 冗余位校正技术2 0 3 2比较器误差的冗余位校正2 3 3 2 1冗余位校正的算法分析2 3 3 2 2 比较器失调误差的校正2 7 第四章基于伪随机噪声序列的数字校准算法研究3 0 4 1应用数字校准技术的必要性3 0 4 2基于级间增益的数字自校准3 1 4 3 等效级间增益的后台提取3 5 4 3 1 d a s c 结构3 5 4 3 2 a d s c 结构3 7 4 4 。a d s c 结构的数字校准算法3 8 4 4 1基于a d s c 结构的数字校准算法3 8 4 4 2 模拟结果与分析讨论4 1 4 5内插法数字校准算法4 3 4 5 1传统数字校准算法的局限性4 3 4 5 2内插法数字校准算法4 4 4 5 3内插预测器4 5 4 5 4 模拟结果与分析讨论：4 7 第五章冗余位校正电路的设计实现5 2 5 1 冗余位校正电路一5 2 5 1 1延时单元5 3 5 1 2 移位相加模块5 4 5 1 3溢出判断模块5 6 5 i 4 微调模块5 6 5 2 仿真验证5 7 第六章总结与展望5 9 参考文献6 0 攻读硕士学位期间发表的论文6 4 v 图2 1 图2 2 图2 3 图2 - 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 - 9 图2 1o 图2 1 1 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 13 图4 1 4 插图清单 a d c 转换过程一5 失调和增益误差曲线6 d n l 和i n l 7 理想有限精度a d c 量化噪声曲线8 流水线型a d c 结构框图1 0 考虑了比较器失调的s u b a d c 1 2 电容翻转型m d a c 结构框图1 3 电荷注入效应l4 时钟馈通效应14 增益误差对传输曲线的影响。1 5 d a c 误差对传输曲线的影响1 7 流水线a d c 每级2 b i t 结构2 0 2 b i tm d a c 传输曲线。：2 0 比较电平发生偏移时的m d a c 传输曲线。2 1 偏移前后2 b i tm d a c 传输曲线2 2 流水线a d c 每级1 5 - b i t 结构2 2 冗余位结构的1 5 - b i tm d a c 传输特性曲线2 2 余量关系。2 4 冗余位校正算法原理图2 4 失调的冗余位校正示意2 8 m d a c 结构实现3l 翻转型m d a c 3 2 包含误差的流水级3 2 非电容翻转型m d a c 3 3 包含所有误差项的流水线a d c 3 4 参考电压改变后的流水线a d c 。3 4 合并参考电压的增益因子后的流水线a d c 3 4 重新定义输入输出的流水线a d c 。3 4 d a s c 结构3 6 a d s c 结构3 7 流水线a d c 原理图3 9 a d s c 结构的后台校准原理图3 9 等效增益的估计算法4 0 采用 l = 2 之。的传统算法仿真结果4 2 v i 图4 15 图4 16 图4 1 7 图4 18 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 1 图4 2 2 图4 2 3 图4 2 4 图4 2 5 图4 2 6 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 - 6 图5 7 图5 8 图5 - 9 采用2 艺5 的传统算法仿真结果4 2 图4 1 5 的曲线收敛的稳态情况4 2 z 域校准模型4 3 内插法校准模型4 5 内插原理图4 6 f i r 系数。4 7 采用p = 2 1 2 的内插算法仿真结果4 8 采用i t = 2 1 6 的内插算法仿真结果4 8 图4 2 2 的曲线收敛的稳态情况4 9 采用内插算法的流水线a d c 输出频谱图。4 9 校准前的流水线a d c 输出频谱图4 9 传统校准算法的输出频谱图5 0 传统的冗余位校正电路延迟和移位相加算法示意图5 2 冗余位校正整体电路5 3 部分模块图5 3 d 触发器5 4 加法器5 5 输入数据上溢出5 7 输入数据下溢出5 7 输入数据为全o 5 8 输入数据为正常码5 8 表格清单 表1 1各种a d c 结构的性能比较2 表4 1等效级间增益与理想级间增益的误差关系4 1 表4 2传统校准算法与内插法的对比5 1 表5 1加法器的输入输出关系5 5 x 第一章引言 近年来，随着数字信号处理技术的高速发展，数字技术的应用得到广泛推 广，功能也越来越强，许多复杂的、传统的模拟电路实现的功能可以通过数字 技术很方便的在数字域中实现，而且鲁棒性很好。尽管如此，由于自然界的信 号均为模拟量，而这些模拟量必须在数字领域里处理，才能发挥数字信号处理 技术的优势。于是，需要一个模数转换器( a d c ) 将模拟量转换为数字量。但 是，数字信号在数字域里被处理完之后，要在自然界传输则又需要被转换为模 拟信号，因此需要数模转换器( d a c ) 。数字技术的高速发展，对模数转换器( a d c ) 提出了更高的要求，设计高性能的模数转换器也是模拟设计电路中的一个热门 研究方向。 1 1 研究背景 片上系统( s o c ) 是当前c m o s 技术发展的大潮流，而且它一般会将a d 转换模块、d a 转换模块与数字信号处理( d s p ) 模块集成在一块芯片上。随着 系统处理数字信号的速度越来越快，尤其是在高分辨率图像、视频处理以及无 线通讯等领域，对速度、精度都有非常高的要求。而作为数字信号处理系统与 自然界模拟信号之间桥梁的模数转换器( a d c ) 和数模转换器( d a c ) ，要能继 续满足数字信号处理系统的需求，则其速度以及分辨率都必须达到很高的要 求。因此，设计高速、高精度、低功耗和低成本的a d c 就成为模拟工程师们的 一个艰巨挑战。 采用c m o s 工艺设计模数转换器是主流方向，性能往往取决于所采用的系 统框架、主要电路结构( 比如运算放大器和比较器等等) 的性能、版图设计的 合理性以及制造工艺等因素。目前主要的模数转换器，按基本原理可分为奈奎 斯特采样( n y q u i s t ) 模数转换器和过采样( o v e r s a m p l e d ) 模数转换器两大类。 奈奎斯特型模数转换器的采样速率和转换速率是一致的，而且被采样的模拟信 号在每个采样周期都被转换成唯一的数字信号。通常，大多数的模数转换器都 属于奈奎斯特型模数转换器，包括全并行结构( f l a s h ) 、折叠内插型结构( f o l d i n g a n di n t e r p o l a t i n g ) 、逐次逼近型结构( s u c c e s s i v ea p p r o x i m a t i o n ) 、流水线型结 构( p i p e l i n e d ) 以及并行时间交织型结构( p a r a l l e lt i m e i n t e r l e a v e d ) 等等。过 采样模数转换器【1 之】是精度最高的，其基本原理是通过提高采样比以及噪声整形 来达到高精度，但其本质上是通过牺牲速度来换取精度的提高，因此，它的转 换速率较低( 一般低于i o m h z ) ，这种转换器多用于音频产品中。 在奈奎斯特采样( n y q u i s t ) 模数转换器中，全并行结构 3 - 5 的模数转换器 由于其并行处理信号的特点，在现有结构中是速度最高、输入到输出的延时最 小的结构，但缺点是其功耗和面积会随着精度增加呈指数级地增长，因而不适 用于高精度的应用场合，一般只适用于分辨率在8 位及其以下的电路或者充当 多级a d c 中的子a d c 模块，比如流水线a d c 的子a d c 就是这种全并行结构的 模数转换器。逐次逼近型 6 - 7 模数转换器采用串行工作方式，其复杂度、功耗、 面积都比较低，精度相对较高，缺点是转换速度偏低。折叠内插型 8 - 1 0 模数转 换器应用折叠和插值技术，克服了全并行结构电路规模呈指数增长的缺点，但 折叠处理会限制输入信号带宽，而且对晶体管跨导和匹配的高要求使其用 c m o s 技术实现起来比较困难。流水线型模数转换器在1 9 8 7 年出现【1 1 1 ，它实际 上是在子区式( s u b r a n g i n g ) 结构基础上发展起来的，它通过将转换范围分区、 信号分步转换来换取电路规模以及功耗的减少，再在各级之间引入采样保持放 大器电路( s h a ) ，使得各区能够并行工作，从而大大提高流水线型a d c 的工作 速度。并行时间交织型结构是当前a d c 研究的热点之一，它通过将几路结构一 致的a d c 组合起来，对同一个输入信号进行交织采样，从而实现单个a d c 所不 能达到的速度，但是此种结构的通道间的失调、非均匀采样等问题使得它很难 达到高精度。 表1 - 1 各种a d c 结构的性能比较 全并行逐次逼近型 折叠内插型 流水线型 过采样型 高速低中速低中速高速低中速 主要特点 低精度中高精度中高精度高精度高精度 分辨率3 8 位8 1 6 位3 8 位 8 1 6 位1 6 - - - 2 4 位 数百m s p s几十k s p s 至几十k s p s 至 几十至几十s p s 转换速率 至g s p s 级几m s p s几m s p s几百m s p s至几m s p s 功耗高低高中中 价格高中中高 中 接收机、便携设备、数字仪表、 视频、高速数 音频、 主要用途 据采集、无线多媒体、 雷达等仪器仪表等传感器等 通信等地震勘测等 1 2 流水线a d c 校准技术的研究和发展 在众多的a d c 结构中，流水线a d c 因其兼顾速度和精度的特点，成为一种 很有发展潜力的电路结构。然而，流水线a d c 受到电路设计以及工艺等许多非 理想因素的影响，比如运放的有限增益、电容失配和比较器失调等等，因此校 准这些误差对于提高流水线a d c 的性能有非常重要的意义。校准技术根据所处 理的信号不同，可以分为模拟校准和数字校准。而在数字信号处理技术高速发 展的今天，数字校准技术受到更多的青睐。 早期的流水线a d c 校准技术大多采用前台校准技术。当流水线a d c 工作在 校准模式时，通过对所要校准的误差进行测量，得到校准参数并存储起来，然 后在正常的工作模式时对误差进行纠正以及补偿。例如，针对md a c ( m u l t i p l y i n g d i g i t a l t o a n a l o gc o n v e r t e r ) 中的电容失配问题，可以在m d a c 中加入微调 ( t r i m m i n g ) 电容阵列 1 2 1 或者可编程电容阵列【1 3 1 ，或者是设计一个与m d a c 并 行工作的d a c 【1 4 1 ，通过在校准模式下测量并且保存电容之间的失配量，再在工 作模式时对传输的信号进行补偿。早期的前台校准技术主要是使用模拟电路来 补偿误差，虽然其能比较容易的测量出流水线a d c 的误差，而且可以有效的校 准和补偿误差，校准后系统性能也明显提高。但是，前台校准存在一个明显的 缺点，那就是必须中断正常的数模转换过程。这是因为它要求流水线a d c 必须 有一个校准周期专门用于对误差的测量和校准参数的更新。这种周期性的中断 数据转换，只能适用于一些允许周期性中断数据传输的场合。然而，现在很多 应用场合都要求a d c 连续工作而不能中断数据传输，因此前台校准不再适用， 而后台校准技术则能弥补前台校准技术这个缺憾。后台校准可以动态的调整校 准参数，不会受环境和时间的影响，不会中断数据转换，因此是目前研究的热 点。 c m o s 工艺和芯片系统集成的要求给a d c 设计带来的困难主要体现在：( 1 ) 工艺特征尺寸按比例缩小，晶体管本征增益也随之减小，电容的匹配性变差； ( 2 ) 电源电压的降低导致输入信号摆幅和信噪比性能降低，增加了放大器设 计的难度。但是，高速高精度a d c 的设计却对工艺特性有更高的要求。采用数 字校准技术能够突破集成电路工艺的物理限制保证转换器性能指标不会恶化， 也不需要额外的人工修正( 如利用激光对电容进行修正的t r i m m i n g 技术) ，甚 至不需要额外的模拟电路，其在灵活性、可靠性和成本方面有很大优势。这是 传统的前台校准技术所无法比拟的。同时，流水线a d c 结构易于采用数字后台 校准技术，也方便和后端的数字信号处理电路集成在同一块芯片上。 在数字信号处理技术发展的同时，后台数字校准技术也在不断的发展，出 现了很多种校准a d c 误差的算法【1 s 。3 刀。比如，y u nc h i u 和c h e o n g y u e nw t s a n g 提出用自适应滤波器中的l m s 算法来校准流水线a d c 的误差1 2 制。流水线a d c 中包含各种误差，一般的校准方法都只是针对其中一种特定的误差，用l m s 算 法就可以不去分析某种特定的误差，而是把它们作为一个总误差。然后再用一 个低速但是精度更高的a d c ( 比如s i g m a d e l t aa d c ) 与流水线a d c 并行工作， 它们都接同一个输入信号。若高精度a d c 的采样频率为流水线a d c 的1 n ，那 么每隔n 个周期，这两个a d c 都会对同一个输入信号采样，得到不同的输出数 字码，这时就可以将两者的差值作为反馈信号，重新改变f i r 滤波器的权值， 以使两者之差的期望值逼近于零，从而达到提高流水线a d c 精度的目的。然而， y u nc h i u 和c h e o n g y u e nw t s a n g 提出的这种方法的缺点是只能校准线性误差， 对非线性误差则无能为力，而且这种方法需要另外再设计一个低速、高精度的 a d c 。而此a d c 自己也需要被校准，因此极大增加了设计难度。 而j o h np k e a n e 和s t e p h e nh l e w i s 则将逐次逼近算法在流水线a d c 校准 3 中的应用推向了顶峰。他们用加入伪随机序列到流水线a d c 的子a d c 输出端的 方法测量增益误差的值，然后利用输出数字码，用专门设计的算法对增益误差 的估计量不断进行累加、更新，最终消除误差的影响【2 剐。而以此延伸，用注入 伪随机序列的方法对运放非线性进行校准，这是一大进步，因为一般的校准方 法只能校准流水线a d c 的线性误差。用此方法的缺点是，用其消除非线性时， 算法复杂，电路的实现也相对困难。 1 3 论文结构安排 本论文基于1 4 位流水线a d c 结构，研究基于伪随机序列注入的后台数字 校准算法。课题来源于研究所预研项目“高速高精度流水线型a d c 的研究与设 计刀以及国家自然基金面上项目“a d 转换器伪随机噪声注入数字校准技术之 快速收敛性研究( 6 1 0 7 6 0 2 6 ) 。本论文通过对流水线a d c 各模块工作原理和误 差源的深入分析，将误差分为子a d c 的比较电平失调误差和m d a c 的误差。针 对比较电平的失调误差，设计流水线a d c 所特有的冗余位校正电路结构；针对 m d a c 的误差，采用对模拟电路设计要求较低的伪随机序列注入法来校准，并 且在c 平台上描述算法，同时在m a t l a b 仿真平台上验证算法，证明其能有效 提高流水线a d c 的精度。最后设计实现了冗余位校正电路。 论文主要由以下部分构成： 第一章：引言。简单介绍a d c 的发展、种类，流水线a d c 校准技术的发展。 第二章：介绍流水线a d c 的整体架构、性能参数以及转换原理，分析流水 线a d c 的各种误差。 第三章：针对比较器的失调误差，介绍流水线a d c 的冗余位校正结构 ( r s d ) 。 第四章：针对m a d c 结构的误差，详细分析传统的基于伪随机序列注入的 数字校准算法，同时在此基础上将传统算法做了改进，并且利用m a t l a b 与c 平台，仿真验证了此改进的校准算法的可行性。 第五章：设计实现冗余位校正电路( r s d ) 。 第六章：结论与展望。 4 第二章流水线a d c 的基本原理 a d c 是通讯系统中非常重要的模块，也是自然界的模拟信号与数字信号处 理系统的接口。流水线a d c 使用多级a d 转换器串联工作，兼顾了转换器的速 度和精度。本章将简单介绍流水线a d c 的工作原理，性能指标等。 2 1a i ) c 的基本原理 ， a d c 是d a c 的逆过程，a d c 是把一个连续的时变模拟信号转换成一系列离 散的数字序列，然后将这个离散数字序列用数码的形式表示出来。a d c 必须进 行采样，它不可能连续地将输入的模拟信号转换成数字输出编码，它是一个数 据采样电路。由于每一次转换的输入模拟信号都是连续变化的，所以需要使用 采样保持电路捕捉到某一瞬间的输入模拟量作为转换量。a d c 的每一次转换过 程都需要经历4 个步骤：采样、保持、量化和编码，如图2 1 所示。 图2 - 1a d c 转换过程 采样过程是指把输入的连续信号转换为离散信号的过程。要使经过a d c 转 换后的数字编码能够还原为原来的模拟信号，必须使采样满足香农采样定律： 为了使采样得到的信号不发生混叠，采样频率必须不小于输入信号最大频率的 2 倍【3 引，也就是说： 厶概2 厶，一 ( 2 - 1 ) 保持过程是指把采样过程所得到的采样值固定保持一段时间。采样保持的 这个时间周期称为a d c 的转换时间。转换通过量化完成，量化过程是用一个 a d c 能分辨的最小信号单位值( 即l s b ) 将输入信号分割成有限个子区间的过 程，通常是2 n 个子域，其中n 是数字输出编码的位数，输入的模拟信号落在某 个子区间内就对应相应的数字输出。在量化过程中，由有限的最小信号单位值 所造成的误差称为量化误差，它是a d c 的固有误差，大小是0 5 l s b ，与系统 的分辨率成正比的关系，因此可以通过增加系统的分辨率来减小量化误差。量 化过程通过找出被采样的模拟输入信号所对应的子区间后，就允许d s p 对相应 的数字位进行编码。因此，在一个模数转换周期内，一个被采样的模拟输入信 号就被转换成一个相对应的数字输出码。 评估a d c 的性能，需要从分辨率、非线性误差、功耗、采样频率、信号噪 s 声比和芯片面积等多方面综合考虑，其中分辨率、信号噪声比以及无杂散动态 范围是最主要的性能指标。通常情况下，需要结合静态特性参数、动态特性参 数来综合评估a d c 的性能，并且根据具体应用进行性能的优化。静态特性参数 反映了在时域下实际量化曲线与理想量化曲线之间的差异，体现的是整个a d c 的线性度，包括分辨率和非线性等；而动态特性参数则反映了在频域下由这些 差异所引起的噪声、谐波功率与信号功率之间的关系，主要包括信噪比( s n r ) ， 满幅范围( v f s ) ，信号噪声失真比( s n d r ) ，有效位数( e n o b ) ，无杂散动态 范围( s f d r ) ，总谐波失真( t h d ) ，采样速率，输入带宽，动态范围等等。对 于流水线a d c 来说，最常用的性能指标主要有失调误差( o f f s e t ) 、信噪比( s n r ) 、 增益误差( g a i ne r r o r ) 、微分非线性误差( d n l ) 、积分非线性误差( i n l ) 、无 杂散动态范围( s f d r ) 等。 2 2a d c 的性能指标 ( 1 ) 分辨率 分辨率是a d c 最基本的参数，它指a d c 能够分辨的最小的模拟信号变化的 能力，它和a d c 的转换精度密切相关39 1 。一个n 位的a d c 有2 个量化值，若 输入范围为，则分辨率为k 2 ，它也称为1 l s b ，i l p 模拟输入每增加1 l s b 的量，输出数字编码就相应地增加1 。实际上，分辨率常受到非线性失真和噪 声等影响，存在有效位数的概念。 ( 2 ) 失调( o f f s e t ) 失调主要指a d c 中的比较器参考电平、运算放大器等存在的失调，它们主 要是由于器件的不匹配、工艺偏差以及电路结构的不对称所造成的。如图2 2 所示，当输入信号为0 时，输出电压或者电流并不为0 ，其值即为失调电压。 图2 - 2 失调和增益误差曲线 ( 3 ) 增益误差( g a i ne r r o r ) 增益误差主要是指由a d c 每级流水线电路中的电容失配以及m o s 管和运 6 放寄生电容引起的误差【3 9 1 。当实际增益大于理想值时，输入的模拟信号其实还 没有达到满幅值，但数字输出已经输出全“1 的数字码；当实际增益小于理 想值，输入最大幅值的模拟信号时，数字输出不全为“1 ”的数字码，如图2 - 2 所示。 在实际设计时，只有当增益误差、失调误差和非线性误差三者之和小于 班l s b 时，再加上a d c 本身所固有的班l s b 的量化误差，则系统的总误差才 有可能在1 l s b 范围内。对于总误差范围在1 l s b 内的n 位a d c ，其精度才可 以达到n 位。 ( 4 ) 微分非线性( d n l ) 图2 - 3d n l 和i n l l n l d n l ( d i f f e r e n t i a ln o n l i n e ar i t y ) 是实际的转换曲线中每一量化步长和理想 的