一種時間交織流水線adc系統(tǒng)及其時序操作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種時間交織流水線ADC系統(tǒng)及其時序操作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于單路流水線ADC系統(tǒng)的處理速度限制，在實現(xiàn)高速流水線ADC時經(jīng)常使用時間交織結(jié)構(gòu)拼接。時間交織流水線ADC結(jié)構(gòu)可將原本對單路ADC的速度要求降低N倍，N為系統(tǒng)拼接的單路流水線ADC路數(shù)。雖然時間交織結(jié)構(gòu)大幅拓展了 ADC系統(tǒng)的采樣速度，但各單通道ADC之間的各類匹配誤差限制了時間交織ADC系統(tǒng)性能的提升。
[0003]隨著集成電路工藝的進(jìn)步，數(shù)字自適應(yīng)校正技術(shù)(簡稱LMS)被廣泛的應(yīng)用于解決ADC的各類偏差問題。時間交織流水線ADC系統(tǒng)一般涉及通道間采樣偏差、通道間直流靜態(tài)偏差(簡稱Offset)以及通道間增益偏差三種偏差。而傳統(tǒng)的LMS算法需要針對不同種類偏差注入不同種類擾動信號并設(shè)計各自的LMS校正環(huán)路。這類方法具有較大的系統(tǒng)開銷與緩慢的系統(tǒng)響應(yīng)。比如，需要設(shè)計專門的全速采樣保持電路以統(tǒng)一注入增益校正或offset校正擾動信號，使采樣保持電路成為了系統(tǒng)瓶頸并消耗大量功耗；需要設(shè)計高開銷的小數(shù)數(shù)字延遲電路以修正各通道間延遲偏差。需要一種低開銷，高魯棒的時間交織ADC方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種時間交織流水線ADC系統(tǒng)及其時序操作方法，其包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，擾動校準(zhǔn)信號注入結(jié)構(gòu)以及自適應(yīng)算法原理，模數(shù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可在較低的系統(tǒng)開銷下，實現(xiàn)擾動信號的注入，實現(xiàn)各通道歸一化的電容參數(shù)校正，并可通過冗余采樣通路實現(xiàn)隨機(jī)采樣，使用基于冗余通路的隨機(jī)采樣替代通道延遲校正，利用冗余通路的預(yù)設(shè)信號正負(fù)極性提取各通道的offset偏差用于后臺數(shù)字校正，利用通道預(yù)設(shè)擾動注入完成對各通道的增益偏差校正。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:一種時間交織流水線ADC系統(tǒng)，它包括N個采樣通道、Μ個運算放大器正極性通道輸入多選器、Μ個運算放大器負(fù)極性通道輸入多選器、Μ個運算放大器和兩個輸出多選器，每個采樣通道的輸入并行與輸入信號連接，每個采樣通道的輸出分別接入運算放大器正極性通道輸入多選器和運算放大器負(fù)極性通道輸入多選器，運算放大器正極性通道輸入多選器的輸出與運算放大器正輸入端連接，運算放大器負(fù)極性通道輸入多選器的輸出與運算放大器負(fù)輸入端連接，運算放大器的輸出分別于兩個輸出多選器連接，Μ個運算放大器輸出通過輸出多選器器重新整合為單路信號，所述的Ν個采樣通道中有i個為正極性連接有j個為負(fù)極性連接，i+j=N，其中N多4，M多3。
[0006]所述的采樣通道包括電容、并行ADC、DAC和開關(guān)，輸入信號VINP通過開關(guān)Ssp [η]接入并行ADC的正輸入端，輸入信號VINN通過開關(guān)Ssn[n]接入并行ADC的負(fù)輸入端，并行ADC與DAC連接，DAC的正輸出端通過開關(guān)Sgp [η]接入運算放大器正極性通道輸入多選器，DAC的負(fù)輸出端通過開關(guān)Sgn[n]接入運算放大器負(fù)極性通道輸入多選器，并行ADC的正輸入端還通過電容Csap [η]與DAC的正輸出端連接，并行ADC的負(fù)輸入端還通過電容Csan[n]與DAC的負(fù)輸出端連接，并行ADC的正負(fù)輸入端之間通過開關(guān)Srstp[n]與Srstn [η]連接。
[0007]系統(tǒng)中每個采樣通道進(jìn)行固定的物理倒向連接，通過采樣通道的隨機(jī)操作形成隨機(jī)倒向的offset校正信號。
[0008]所述的每個運算放大器的通路具有一對反饋電容Cfp/Cfn，以及一對復(fù)位開關(guān)Srst_op [η]，復(fù)位開關(guān)在每個運放通路在每Μ個周期放大新信號時進(jìn)行短脈沖復(fù)位。
[0009]一種時間交織流水線ADC系統(tǒng)的時序操作方法，時間交織流水線ADC系統(tǒng)中每一個通道都有機(jī)會被當(dāng)前采樣周期選擇而激活，進(jìn)入采樣、信號相減與信號放大三個連續(xù)流水工作狀態(tài)，其中采樣狀態(tài)占用1個系統(tǒng)周期、信號相減占用1個系統(tǒng)周期、信號放大占用2個或2個以上的系統(tǒng)周期，為實現(xiàn)系統(tǒng)連續(xù)工作，當(dāng)信號放大需要Μ個周期完成時，所述系統(tǒng)將至少需要Μ個運算放大器與Μ+2個采樣通道，系統(tǒng)時序操作分為Μ+2個操作相位，某一采樣通道被選通后需從第3個系統(tǒng)時鐘周期開始通過運放輸入選擇器接通位于空閑狀態(tài)的運算放大器，在每Μ+3個周期，系統(tǒng)隨機(jī)選擇目前處于空閑的通道插入連續(xù)采樣；處于采樣狀態(tài)的通道，Ssp [n] Ssn [η]閉合，Srstp [n]與 Srstn [η]斷開，Sgp [n]與 Sgn [η]斷開，采樣后該通道進(jìn)入信號相減狀態(tài)與信號放大狀態(tài)兩個流水狀態(tài)；信號相減狀態(tài)Ssp [η]，Ssn [η]斷開、Srstp [n]與 Srstn [η]閉合、Sgp [n]與 Sgn [η]斷開，并行 ADC 輸出粗進(jìn)度數(shù)字判決，同時結(jié)合當(dāng)前隨機(jī)生成的增益校正擾動信號，控制DAC向該通道中抽取或注入電荷，形成信號相減；信號相減狀態(tài)結(jié)束后，Srst_op[0]~Srst_op[M-l]以短脈沖將運算放大器復(fù)位，之后Sgp [n]，Sgn [η]閉合，其他開關(guān)維持上一狀態(tài)，同時通道多選器Ιηη_Mux[m], Inp_Mux[m]選擇通道η連接入Μ個運算放大器中的第m個，并同時選擇輸出多選器0utp_Mux, 0utn_Mux選擇對應(yīng)的第m個運放輸出到下一級。
[0010]由于采樣通道信號極性不一致且與通道物理耦合，相對于每個運算放大器采樣通道而言，隨機(jī)選擇采樣通道順序在連續(xù)時間上等同于為每個運算放大器通道注入了值為隨機(jī)±1的擾動增益信號Cm[n]。
[0011]在每通道被選通進(jìn)入采樣后，各通道通過DAC注入增益校正用擾動噪聲信號Dgm[n] ο
[0012]一種時間交織流水線ADC系統(tǒng)的矯正方法，它包括各運算放大器通道相關(guān)的增益矯正LMS自適應(yīng)算法與offset歸零的自適應(yīng)算法；LMS自適應(yīng)算法進(jìn)行偏差校正公式為:
Gm[n+1] =Gm[n] -)^Dgm[n] *Cm[n] (Dgm[n] *Cm[n] *Gm[n] -VRm[n])
VS0m= (VRm[n] - Gm[n]*Cm[n]) *(A/Gm[n])
其中，μ為LMS算法系統(tǒng)收斂步進(jìn)參數(shù)，Gm為算法預(yù)估實際通道增益，Dgm[n]為運算放大器通道m(xù)的增益注入校正信號，Cm[n]為運算放大器通道m(xù)的±1隨機(jī)導(dǎo)向offset校正信號，A為系統(tǒng)預(yù)設(shè)各通道統(tǒng)一參考增益值，VRm[n]為算法輸入未校正信號，VSOm為增益校正后輸出信號，
矯正完成后，各通道增益統(tǒng)一想向增益A收斂至誤差最??；
在增益校正后，VSOm同時也滿足:
VSOm = Vin(t)*Cm[n]+V0Sm
其中VOSm為運算放大器固定offset偏差，Vin(t)為系統(tǒng)輸入信號，由于Cm[n]經(jīng)過采樣通道隨機(jī)后呈現(xiàn)隨機(jī)土 1特性，對VSOm求平均得到VOSm值，各通道提取出VOSm值后各自將其補(bǔ)償為零，以此消除通道間offset誤差；
補(bǔ)償后，各通道使用各自Cm[n]序列計算出輸出數(shù)據(jù)，祛除通道隨機(jī)導(dǎo)向信號，數(shù)據(jù)輸出公式如為:
Data_0utm =Cm[n]*{VS0m - average(VSOm[η] )}
將Μ個運算放大器通道的Data_0utm進(jìn)行時序組合后，所述系統(tǒng)將最終得到經(jīng)過采樣隨機(jī)化、增益校正與offset校正后的連續(xù)采樣數(shù)據(jù)值。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提供了一種時間交織流水線ADC系統(tǒng)及其時序操作方法，其包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，擾動校準(zhǔn)信號注入結(jié)構(gòu)以及自適應(yīng)算法原理，模數(shù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可在較低的系統(tǒng)開銷下，實現(xiàn)擾動信號的注入，實現(xiàn)各通道歸一化的電容參數(shù)校正。
[0014]1.使用冗余采樣通道實現(xiàn)采樣隨機(jī)化，使通道延遲偏差降低至噪聲底，對比傳統(tǒng)的延遲校正方法節(jié)約了大量功耗與面積開銷；
2.使用非固定正負(fù)信號極性通路，并結(jié)合隨機(jī)化采樣通道選擇，節(jié)省了傳統(tǒng)運放offset校正電路中的動態(tài)反向電路，降低了時序要求；
3.使用可校正的多通道分