[發明專利]一種可提高動態性能的流水線式模數轉換器

無效

• 申請號: 201210202359.8
• 申請日: 2012-06-18
• 公開（公告）號: CN102751990A
• 公開（公告）日: 2012-10-24
• 發明（設計）人: 吳建輝;趙煒;時宵;張理振;溫俊峰;李紅;張萌
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H03M1/12
• 分類號: H03M1/12
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責任公司 32112
• 代理人: 湯志武

技術領域

本發明涉及一種模數轉換器及其一種電容平均技術，具體涉及一種可提高動態性能的流水線式模數轉換器。

背景技術

流水線式模數轉換器(pipelined?analog-to-digital?converter，以下簡稱流水線式ADC)是一種常使用于視頻圖像系統、數字用戶回路、以太網收發機、或者是無線通訊系統中的一種重要元件。流水線式的模數轉換(A/D?conversion，以下簡稱A/D轉換)可以在功率、速度、集成電路芯片面積上取得不錯的平衡點，故可以用來實現取樣頻率在百萬赫茲等級的高精度ADC運算之中。

圖1是傳統流水線式ADC結構框圖，模擬信號經過采樣保持電路100之后，在通過若干級電路模塊200和后級模數轉換電路模塊300進行量化，最后將各級得到的量化值通過延時及錯位相加模塊400根據時間延時以及權重進行錯位相加，輸出最終數字信號。

圖2是傳統流水線式ADC中單級電路模塊的單端結構框圖，它由兩項非交疊時鐘控制，在相位1內，采樣保持電路210對輸入信號進行采樣，子模數轉換模塊220對輸入信號進行粗量化得到量化值D；在相位2內，子數模轉換器230將上述粗量化值D轉換成對應的模擬信號，然后該模擬信號進入減法器240中與輸入信號相減得到量化余量，該余量經過放大器250的放大，最終輸出給下一級電路模塊。每一級電路模塊都這樣流水線工作的，采樣，粗量化，余量放大，輸出到下一級電路模塊，最后一級電路模塊的輸出送到后級模數轉換模塊中300中，同時每一級電路模塊的粗量化值D和后級模數轉換模塊的量化值D_b還要輸出給延時及錯位相加模塊400。

圖3是實現上述圖2功能的一種常見電路，實現采樣輸入信號，粗量化和余量放大的功能。該電路在兩相時鐘控制下工作，在相位1內，所有開關S₁導通，所有開關S₂關閉，輸入信號被采樣在C₁-C₁₆這16個電容上，同時比較器陣列221對輸入信號進行量化，比較器陣列221中有14個比較器，因此輸出14位數字溫度碼D_b，該溫度碼D_b經過編碼器222的編碼之后變為二進制碼D輸出；在相位2內，所有開關S₁關閉，所有開關S₂導通，14個的電容陣列分別根據比較器陣輸出D_t的各位決定是連到-V_ref還是+V_ref，剩下的兩個電容接固定共模電平，而電容C₁₇作為反饋電容連接到放大器的輸出端。這樣經過兩個相位之后，該電路就實現了級電路模塊200的功能。

假設C₁-C₁₆這16個電容完全匹配，即C₁=C₂=…C₁₆=C，C₁₇為兩倍單元電容，即C₁₇=2C，開關是理想的，并且運算放大器251是理想的(無限大的開環增益和零輸入失調)，那么根據電荷守恒定律，可以得到輸出電壓為V_o=8V_i-DV_ref,，其中D為-7到+7，而V_ref通過差分信號實現V_ref=V_reft-V_refb，理想的余量傳輸曲線如圖4中虛線所示。D_b為該級輸出信號V_o經過之后的所有級電路模塊200和后級模數轉換模塊300得到的量化結果，該結果和本級粗量化值D加權相加后得到級電路模塊200的完整傳輸曲線，假設每一個級電路模塊200和后級模數轉換模塊300都是理想的，那么該完整傳輸曲線(D+D_b)應該是一條斜率固定的直線，如圖5虛線所示。

但是在實際情況中，各個單元電容之間存在失配，該非理想因素會導致傳輸曲線的惡化，如圖4和圖5中的實線所示，該情形將使模數轉換器性能變差。

發明內容

本發明的目的在于提供了一種可提高動態性能的流水線式模數轉換器，通過使用偽隨機數來隨機控制子級數模轉換器中電容陣列的順序，將電容失配導致的誤差隨機化，從而減小對ADC動態性能的影響。