[发明专利]可校准电容失配和有限增益误差的流水线型模数转换器

说明书

技术领域

本发明属于模数转换器技术领域，具体涉及一种采用低增益放大器的流水线型模数转换器。

背景技术

模数转换器(ADC)是一个将模拟信号转换成数字信号即对模拟信号进行数字化(digitize)的元件。在高速模数转换器中，至今报道速度最快的是全并行(flash)结构。然而，基于全并行结构的模数转换器需要大量极其精确和快速的比较器，这将消耗极大的芯片面积和功率。众多模数转换器结构中，有不少能够克服全并行结构模数转换器的缺点，流水线结构正是其中之一。而且，与其它模数转换器结构相比，流水线结构可以在速度、精度、功耗以及芯片面积之间找到更好的权衡。

图1是采用每级1.5位结构的传统流水线型模数转换器框图，其中模数转换器100的分辨率以10比特(N＝10)为例。该模数转换器100包含了一个可供选用的采样保持电路101、子转换级电路102-109、最后一级全并行级电路120以及数字校正电路130。可供选用的采样保持电路101在采样阶段对输入模拟信号进行采样，并随后在保持阶段将采样到的模拟信号输出。该模拟信号被第一级转换电路102量化成1.5位的数字输出。子转换级电路102-109的数字输出均为1.5位，而最后一级120的数字输出为2位，所有这些输出都输送到数字模块130进行处理。这些1.5位数字输出也被反馈给每级自己变成一个模拟量，并与该级采样到的模拟输入信号比较，它们的差值被放大2倍后形成余量电压输出给后级电路采样。每一级有效转换的信息量只有1位，另外半位用作冗余以减轻对比较器的失调要求。数字校正电路130会对这些冗余信息进行处理并产生N位数字输出。

各个子转换级电路102-109的电路框图是一致的，如图2A采样阶段和图2B保持阶段所示。所举例子虽为单端结构，但实际上可为差分结构，下同。单个子转换级电路包含有一个放大器201、两个电容C1和C2、两个比较器210和211以及一个数字单元220。如图2A所示，在采样阶段，放大器201的输出和反向输入端相连，并与两个电容C1和C2的上极板相接，放大器201的正向输入端则短接到一个直流电平(如地)。C1和C2的下极板对输入模拟信号V_in并行采样，V_in同时也作为两个比较器210和211的输入并分别与两个参考电压进行比较。数字单元220根据比较器的比较结果产生数字输出D_i(其值为-1、0、或1)。在保持阶段，如图2B所示，放大器201工作于放大模式，其反相输入端依然与C1和C2的上极板相接，而其输出端与电容C2的下极板相连，电容C1的下极板则依据D_i的值与不同的参考电压相接。因此，放大器201的输出V_out由输入模拟信号V_in、D_i、电容C1和C2电容比值、放大器201的增益、以及参考电压V_ref共同决定，而为了使输出V_out与输入模拟信号V_in形成一个精确的2倍关系，C1和C2需要完美匹配且放大器201的增益要无限大。

图3所示为每级1.5位结构的传统流水线型模数转换器的理想转换特性，V_ref/4和-V_ref/4是对应其中的两个阈值点或叫转折点。

上面提及的流水线型结构中，电容失配和有限放大器增益均会影响模数转换器的性能。用来补偿电容失配的校准技术[1]-[2]已有不少，针对有限放大器增益误差进行补偿[3]-[4]的也有很多。此外，数字校准技术[5]对电容失配和有限放大器增益误差均能进行校正。但是，一般而言，这些方法要么难以实现，要么非常耗时，要么需要额外的转换处理步骤，或者兼而有之。

发明内容

本发明的目的是提供一种功率省、转换速度快的可校准电容失配和有限增益误差的流水线型模数转换器。