流水线ADC谐波失真的数字后台校正算法研究

摘要

模数转换器是数字电路与模拟电路的接口，在混合集成电路的设计中起着至关重要的作用，而流水线结构的模数转换器因其具有高转换速度和高输出精度的特点，所以在音视频处理系统、通信领域以及信号检测等多个领域都得到了相当广泛的应用。然而在实际应用中，由于存在比较器的电压失调，电容元件失配，外部环境和温度的影响以及运放的有限增益等诸多非理想因素的影响，使得ADC产生不可忽视的误差，这不仅限制了转换精度而且很可能会导致错误的转换结果。因此，高效的校正技术是流水线ADC设计中必不可少的一部分。流水线ADC对于余量放大器引起的误差特别敏感，尤其是在流水线的前几级。而且，在实际应用中余量放大器的误差会导致功耗的大幅增加，因而在高精度的流水线ADC中余量放大器的功耗在整个ADC功耗中占据主导地位，所以对于余量放大器的误差校正成为了高性能流水线ADC设计中必须考虑的问题。
　　本文首先讨论了在流水线ADC中余量放大器引起的谐波失真效应，然后结合流水线ADC的工作原理采用了系统级的数字后台校正技术并从算法级验证了校正原理的正确性。在以前的论文中只有简略说明和最终结果，但是在算法层次对余量放大器的谐波失真进行详细且深入分析、推导以及建模是必要而且极其重要的，因为这是数字后台校正模型能够正确建立的关键的理论基础。为了消除余量放大器引入的谐波失真误差，应用数字后台谐波失真校正（HDC，Harmonic Distortion Calibration）算法，其主要原理是通过给信号通路中注入一组与输入无关的伪随机序列，利用该伪随机序列在后台测量谐波失真误差并控制校正信号，在数字输出中对谐波失真进行消除。本文先针对单阶误差的情况，对校正原理做了详细分析与推导，从理论上证明了算法的可实现性。然后又考虑了多阶误差的情况，由于多阶误差同时存在时高阶会对低阶系数产生影响，因此需要对误差系数做相应的修正。根据算法在MATLAB SIMULINK中对数字后台HDC技术进行行为级的建模，完善了校正模型并通过仿真证明了校正技术的有效性。仿真结果显示采样频率为100MHZ下，在采用了HDC技术之后流水线ADC的有效精度可达14位，SNDR从59.1dB提升至82.9dB，SFDR从65.6dB提升至96.8dB，满足了实际应用的需要。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究现状和发展趋势

1.3 论文的结构

第二章 模数转换器（ADC）的基本理论与结构

2.1 模数转换器（ADC）简介

2.2 ADC的基本原理

2.3 ADC的性能指标

2.4 模数转换器（ADC）的典型结构

2.5 本章小结

第三章 流水线ADC的实现和误差分析

3.1 流水线ADC的基本原理

3.2 本文设计的流水线ADC

3.3 误差分析

3.4 引入误差后的流水线ADC

3.5 本章小结

第四章 数字后台校正技术

4.1 校正技术分类

4.2 数字后台校正技术简介

4.3 基于HDC技术的数字后台校正技术

4.4 GEC校正技术

4.5 仿真结果

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

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