[发明专利]一种可提高动态性能的流水线式模数转换器

说明书

技术领域

本发明涉及一种模数转换器及其一种电容平均技术，具体涉及一种可提高动态性能的流水线式模数转换器。

背景技术

流水线式模数转换器(pipelined analog-to-digital converter，以下简称流水线式ADC)是一种常使用于视频图像系统、数字用户回路、以太网收发机、或者是无线通讯系统中的一种重要元件。流水线式的模数转换(A/D conversion，以下简称A/D转换)可以在功率、速度、集成电路芯片面积上取得不错的平衡点，故可以用来实现取样频率在百万赫兹等级的高精度ADC运算之中。

图1是传统流水线式ADC结构框图，模拟信号经过采样保持电路100之后，在通过若干级电路模块200和后级模数转换电路模块300进行量化，最后将各级得到的量化值通过延时及错位相加模块400根据时间延时以及权重进行错位相加，输出最终数字信号。

图2是传统流水线式ADC中单级电路模块的单端结构框图，它由两项非交叠时钟控制，在相位1内，采样保持电路210对输入信号进行采样，子模数转换模块220对输入信号进行粗量化得到量化值D；在相位2内，子数模转换器230将上述粗量化值D转换成对应的模拟信号，然后该模拟信号进入减法器240中与输入信号相减得到量化余量，该余量经过放大器250的放大，最终输出给下一级电路模块。每一级电路模块都这样流水线工作的，采样，粗量化，余量放大，输出到下一级电路模块，最后一级电路模块的输出送到后级模数转换模块中300中，同时每一级电路模块的粗量化值D和后级模数转换模块的量化值D_b还要输出给延时及错位相加模块400。

图3是实现上述图2功能的一种常见电路，实现采样输入信号，粗量化和余量放大的功能。该电路在两相时钟控制下工作，在相位1内，所有开关S₁导通，所有开关S₂关闭，输入信号被采样在C₁-C₁₆这16个电容上，同时比较器阵列221对输入信号进行量化，比较器阵列221中有14个比较器，因此输出14位数字温度码D_b，该温度码D_b经过编码器222的编码之后变为二进制码D输出；在相位2内，所有开关S₁关闭，所有开关S₂导通，14个的电容阵列分别根据比较器阵输出D_t的各位决定是连到-V_ref还是+V_ref，剩下的两个电容接固定共模电平，而电容C₁₇作为反馈电容连接到放大器的输出端。这样经过两个相位之后，该电路就实现了级电路模块200的功能。

假设C₁-C₁₆这16个电容完全匹配，即C₁=C₂=…C₁₆=C，C₁₇为两倍单元电容，即C₁₇=2C，开关是理想的，并且运算放大器251是理想的(无限大的开环增益和零输入失调)，那么根据电荷守恒定律，可以得到输出电压为V_o=8V_i-DV_ref,，其中D为-7到+7，而V_ref通过差分信号实现V_ref=V_reft-V_refb，理想的余量传输曲线如图4中虚线所示。D_b为该级输出信号V_o经过之后的所有级电路模块200和后级模数转换模块300得到的量化结果，该结果和本级粗量化值D加权相加后得到级电路模块200的完整传输曲线，假设每一个级电路模块200和后级模数转换模块300都是理想的，那么该完整传输曲线(D+D_b)应该是一条斜率固定的直线，如图5虚线所示。

但是在实际情况中，各个单元电容之间存在失配，该非理想因素会导致传输曲线的恶化，如图4和图5中的实线所示，该情形将使模数转换器性能变差。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种可提高动态性能的流水线式模数转换器，通过使用伪随机数来随机控制子级数模转换器中电容阵列的顺序，将电容失配导致的误差随机化，从而减小对ADC动态性能的影响。