一種時(shí)間交織流水線adc系統(tǒng)及其時(shí)序操作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種時(shí)間交織流水線ADC系統(tǒng)及其時(shí)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(shí)現(xiàn)高速流水線ADC時(shí)經(jīng)常使用時(shí)間交織結(jié)構(gòu)拼接。時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)信號并設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng)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(jì)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(shí)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(shí)間交織流水線ADC系統(tǒng)及其時(shí)序操作方法，其包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，擾動(dòng)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(shí)現(xiàn)擾動(dòng)信號的注入，實(shí)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(shí)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(dòng)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(shí)現(xiàn)的:一種時(shí)間交織流水線ADC系統(tǒng)，它包括N個(gè)采樣通道、Μ個(gè)運(yùn)算放大器正極性通道輸入多選器、Μ個(gè)運(yùn)算放大器負(fù)極性通道輸入多選器、Μ個(gè)運(yùn)算放大器和兩個(gè)輸出多選器，每個(gè)采樣通道的輸入并行與輸入信號連接，每個(gè)采樣通道的輸出分別接入運(yùn)算放大器正極性通道輸入多選器和運(yùn)算放大器負(fù)極性通道輸入多選器，運(yùn)算放大器正極性通道輸入多選器的輸出與運(yùn)算放大器正輸入端連接，運(yùn)算放大器負(fù)極性通道輸入多選器的輸出與運(yùn)算放大器負(fù)輸入端連接，運(yùn)算放大器的輸出分別于兩個(gè)輸出多選器連接，Μ個(gè)運(yùn)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(gè)采樣通道中有i個(gè)為正極性連接有j個(gè)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(yùn)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(yùn)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(gè)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(gè)運(yùn)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(gè)運(yùn)放通路在每Μ個(gè)周期放大新信號時(shí)進(jìn)行短脈沖復(fù)位。
[0009]一種時(shí)間交織流水線ADC系統(tǒng)的時(shí)序操作方法，時(shí)間交織流水線ADC系統(tǒng)中每一個(gè)通道都有機(jī)會(huì)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(gè)連續(xù)流水工作狀態(tài)，其中采樣狀態(tài)占用1個(gè)系統(tǒng)周期、信號相減占用1個(gè)系統(tǒng)周期、信號放大占用2個(gè)或2個(gè)以上的系統(tǒng)周期，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)連續(xù)工作，當(dāng)信號放大需要Μ個(gè)周期完成時(shí)，所述系統(tǒng)將至少需要Μ個(gè)運(yùn)算放大器與Μ+2個(gè)采樣通道，系統(tǒng)時(shí)序操作分為Μ+2個(gè)操作相位，某一采樣通道被選通后需從第3個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期開始通過運(yùn)放輸入選擇器接通位于空閑狀態(tài)的運(yùn)算放大器，在每Μ+3個(gè)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(gè)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(shí)結(jié)合當(dāng)前隨機(jī)生成的增益校正擾動(dòng)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(yùn)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(shí)通道多選器Ιηη_Mux[m], Inp_Mux[m]選擇通道η連接入Μ個(gè)運(yùn)算放大器中的第m個(gè)，并同時(shí)選擇輸出多選器0utp_Mux, 0utn_Mux選擇對應(yīng)的第m個(gè)運(yùn)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(gè)運(yùn)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(shí)間上等同于為每個(gè)運(yùn)算放大器通道注入了值為隨機(jī)±1的擾動(dòng)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(dòng)噪聲信號Dgm[n] ο
[0012]一種時(shí)間交織流水線ADC系統(tǒng)的矯正方法，它包括各運(yùn)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(shí)際通道增益，Dgm[n]為運(yùn)算放大器通道m(xù)的增益注入校正信號，Cm[n]為運(yùn)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(shí)也滿足:
VSOm = Vin(t)*Cm[n]+V0Sm
其中VOSm為運(yùn)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(jì)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(gè)運(yùn)算放大器通道的Data_0utm進(jìn)行時(shí)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(shí)間交織流水線ADC系統(tǒng)及其時(shí)序操作方法，其包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，擾動(dòng)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(shí)現(xiàn)擾動(dòng)信號的注入，實(shí)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(shí)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(yùn)放offset校正電路中的動(dòng)態(tài)反向電路，降低了時(shí)序要求；
3.使用可校正的多通道分