[发明专利]一种Pipelined-SAR ADC的级间增益非线性校准方法

权利要求书

1.一种Pipelined-SAR ADC的级间增益非线性校准方法，定义Pipelined-SAR ADC由N个SAR ADC作为子级级联，每一子级为K_i比特，1≤i≤N，相邻子级之间通过一个级间运算放大器连接，按照量化方向依次记为第一级子SAR ADC至第N级子SAR ADC，以及第一级的级间增益G₁至第N-1级的级间增益G_N-1，N级Pipelined-SAR ADC能实现比特精度的数字输出，其特征在于，校准方法包括以下步骤：

步骤1：输入信号经过Pipelined-SAR ADC量化后产生位输出码字，其中每一级每一位的数字码字为D_i[K_i:1]，同时，还获得亚稳态标志码字F_i[K_i:1]，其中D_i[K_i:1]代表第i级子SAR ADC的所有数字码字，D_i[Ki]代表第i级最高权重位，D_i[1]代表第i级最低权重位；若第i级子SAR ADC在量化第m位码字D_i[m]时比较器出现亚稳态，则D_i[m]对应的亚稳态标志位F_i[m]＝0，否则F_i[m]＝1，m为正整数且1≤m≤K_i；

步骤2：通过得到的数字码字对第一级至第N-1级的级间增益非线性进行校准，校准顺序为从低权重的后级向高权重的前级校准；具体为：

步骤21：通过步骤1得到的第i级数字输出码字D_i和亚稳态码字F_i对第二级至第N-1级的级间增益G₂，…，G_N-1进行线性校准，i∈[2，N-1]；具体为：

先通过第N-2级和第N-1级的数字码字对第N-1级的级间增益G_N-1进行校准：通过提取第N-1级的发生亚稳态的数据得出第N-2级的理想残差电压V_{res_ideal}，通过第N级的数字码字合成得到第N-2级的理想残差经过运算放大器放大后得到的实际残差电压V_{res_real}；

理想残差电压V_{res_ideal}的获取过程为：第i级第m位发生亚稳态且当前位置1时，D_i[m]＝1，F_i[m]＝1，c_i[m]代表第i级第m位的电容大小，V_{res_m_1}[i]代表第i级第m位发生亚稳态且当前位置1时的残差电压，V_ref代表ADC的参考电压；第i级第m位发生亚稳态且当前位置0时，D_i[m]＝1，F_i[m]＝0，V_{res_m_0}[i]代表第i级第m位发生亚稳态且当前位置0时的残差电压；将第i级发生亚稳态且置1的数据提取出来得到其中数据量要达到设定值u，同理，将第i级相同数量发生亚稳态且置0的数据提取出来得到u代表发生亚稳态且分别置位为0或1的数量，即第i级理想残差电压

放大后的实际残差电压V_{res_real}的合成：求第i级级间增益的实际残差电压由第i+1级的数字码字直接合成，W_i+1代表第i+1级的每一位的权重值；

联合第i级的理想残差电压和第i+1级的实际残差电压可得到第i级的线性级间增益为同理进行第二级至第N-1级的增益校准；

步骤22：通过步骤1得到的第一级数字输出码字D₁[K₁:1]、亚稳态码字F₁[K₁:1]和后级校准后合成码字对第一级的级间增益G₁进行非线性校准；具体为：

当校准第一级级间增益的时候，后级的级间增益已经校准完成，因此，将第二级至第N级定义为一个理想ADC，第一级余量电压V_x经过第一级级间运算放大器f(x)进行放大，f(x)＝α₁x+α₂x²+α₃x³+…+α_nxⁿ，放大后的残差电压V_res作为后端Pipelined-SAR ADC的输入，后端的数字输出经过校准函数g(x)进行校准，将校准后的输出值和第一级的数字输出结合即得到Pipelined-SAR ADC经过级间增益非线性数字校准后的输出D_out，D_out的数学表达式为：D_out＝D₁+g(f(V_x))；

步骤3：得到非线性校准后的级间增益之后对ADC输出的数字码字进行合成补偿，得到进行级间增益非线性校准后的实际量化输出码字；具体为：

步骤31：选取第一级第i位发生亚稳态且将此位置为0或置为1的输入电压；将这个输入电压值经过G₁放大后的残差电压送入校准系统，得出非线性校准后的V′_x；补偿的电压值为或c₁[n]代表第一级的每一位的电容值大小，V_cp代表补偿的电压值；得出第一级每一位发生亚稳态且分别置位为0或1的补偿电压值V_cp，最后合成的输出为D_out＝D₁+g(f(V_x))+V_cp。