一种流水线模数转换器及其电容失配误差校准方法

摘要

本发明实施例公开了一种简易的针对流水线模数转换器电容失配误差的校准方案，在传统无校准流水线模数转换器结构的基础上，由级MDAC结构与级校准开关结构组成需要校准电容失配误差的校准级，同时，增加电容失配误差数字校准电路。在校准级电容误差提取工作期间，通过级校准开关结构对校准级采样电容给定2种特定输入，路得到包含电容失配误差的2个数字码，再根据其提取出校准级电容失配误差并进行数字校准。该电容失配误差校准方案结构极其简单、额外元件添加极其少、时序控制极其简单，能够有效的校准因电容失配造成的静态特性下降的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及用于红外焦平面阵列读出电路的模数转换器，尤其是涉及一种流水线模数转换器及其电容失配误差校准方法。 

  

背景技术

读出电路(ROIC)是非致冷红外焦平面阵列（IRFPA）的关键部件之一，它的主要功能是对红外探测器感应的微弱信号进行预处理（如积分、放大、滤波、采样/保持等）和阵列信号的并/串行转换。视探测器所用材料和工作方式的不同，读出电路结构随之变化，以在满足帧频的要求下获得最大的信噪比（SNR）。 

ROIC属于数模混合集成技术。像元电路部分属于模拟电路，它对MOS管沟道宽长比有特殊的要求，需要有比数字电路更加精确的设计。另外，为了增大积分电容的面积，复杂的电路设计在ROIC中也是不容许的。先进的ROIC为了减小读出噪声和提高帧刷新频率，将滤波电路、模数转换等功能器件集成在一块芯片内，这是今后ROIC发展的趋势。 

模数转换器集成到焦平面阵列中，不但可以简化阵列与系统的接口设计，也可将易受电磁干扰的模拟输出信号转为抗干扰能力强的数字信号，提高系统的整体性能。 

经典的无校准的流水线模数转换器中，由于制造工艺的原因，电容失配误差是不可避免的，其在一定程度上限制了分辨率与采样速率的有效折中，尤其是在大阵列、高帧频的非致冷红外焦平面阵列的读出技术中，存在更高分辨率及更高采样速率的限制。因此，存在校准非致冷红外焦平面阵列中的流水线模数转换器的电容失配误差的需求。 

  

发明内容

本发明的目的之一是提供一种能够有效校准流水线模数转换器的电容失配误差的流水线模数转换器及其电容失配误差校准方法。 

本发明公开的技术方案包括： 

提供了一种流水线模数转换器，其特征在于：包括至少两级模数转换器和电容失配误差数字校准电路30，其中：至少第1级模数转换器10包括校准开关电路102和MDAC电路100，所述校准开关电路102包括第一开关S_C1和第二开关S_C2，所述第一开关S_C1一端连接到所述MDAC电路100，另一端连接到第一参考电压+V_ref/2，所述第二开关S_C2一端连接到所述MDAC电路100，另一端连接到第二参考电压-V_ref/2；所述电容失配误差数字校准电路30连接到所述至少两级模数转换器；其中所述至少两级模数转换器根据所述第一参考电压+V_ref/2输出第一数字码，并根据所述第二参考电压-V_ref/2输出第二数字码；所述电容失配误差数字校准电路30接收所述第一数字码和所述第二数字码、根据所述第一数字码和所述第二数字码获得所述流水线模数转换器的电容失配误差校准码、并且当所述流水线模数转换器正常工作时用所述电容失配误差校准码校准所述流水线模数转换器转换输出的数据。

本发明的一个实施例中，所述MDAC电路100包括运算放大器、采样电容C_S和反馈电容C_f，所述采样电容C_S的一端分别通过开关元件连接到所述流水线模数转换器的信号输入端V_in、第三参考电压+V_ref、第四参考电压-V_ref和接地端，另一端连接到所述运算放大器的反相输入端并通过开关元件接地。 

本发明的一个实施例中，所述反馈电容C_f的一端连接到所述运算放大器的反相输入端，另一端分别通过开关元件连接到所述流水线模数转换器的信号输入端V_in和所述运算放大器的输出端V_out。 

本发明的一个实施例中，所述第一开关S_C1一端连接到所述采样电容C_S的所述一端，另一端连接到所述第一参考电压+V_ref/2；所述第二开关S_C2一端连接到所述采样电容C_S的所述一端，另一端连接到第二参考电压-V_ref/2。 

本发明的一个实施例中，所述第一参考电压为所述第三参考电压的二分之一，所述第二参考电压为所述第四参考电压的二分之一。 

本发明的实施例中还提供了一种使用前述的流水线模数转换器校准电容失配误差的方法，其特征在于，包括：使所述采样电容C_S和所述反馈电容C_f并联，并且一端接地，另一端连接到所述运算放大器的反相输入端；切换开关元件，使所述采样电容C_S的一端连接到所述第一参考电压+V_ref/2，另一端连接到所述运算放大器的反相输入端，并使所述反馈电容C_f的一端连接到所述运算放大器的反相输入端，另一端连接到所述运算放大器的输出端，从而通过所述至少两级模数转换器获得第一数字码；使所述采样电容C_S和所述反馈电容C_f并联，并且一端接地，另一端连接到所述运算放大器的反相输入端；使所述采样电容C_S的一端连接到所述第二参考电压-V_ref/2，另一端连接到所述运算放大器的反相输入端，并使所述反馈电容C_f的一端连接到所述运算放大器的反相输入端，另一端连接到所述运算放大器的输出端；从而通过所述至少两级模数转换器获得第二数字码；根据所述第一数字码和所述第二数字码获得所述流水线模数转换器的电容失配误差校准码；当所述流水线模数转换器正常工作时，用所述电容失配误差校准码校准所述流水线模数转换器转换输出的数据。 

本发明的实施例中，能够校准需要对电容失配误差的级引起的误差，并且结构极其简单、额外元件添加极其少、时序控制极其简单，数字域计算及校准工作只需通过加减法实现，大大减小了数字电路设计的难度与周期。经过仿真验证，本发明的针对流水线模数转换器电容失配误差的校准方法能够有效的校准因电容失配造成的静态特性下降的问题。 

  

附图说明

图1是本发明一个实施例的流水线模数转换器的结构框图示意图。 

图2是本发明一个实施例的第1级模数转换器的结构示意图。 

图3是本发明一个实施例的处于采样相状态中的MDAC电路的示意图。 

图4是本发明一个实施例的处于第一保持相状态中的MDAC电路的示意图。 

图5是本发明一个实施例的处于第二保持相状态中的MDAC电路的示意图。 

图6是本发明一个实施例的校准码的示意图。 

图7是存在正的采样电容失配的情况下传输曲线校准前效果示意图，图中的黑色虚线为理想的传输曲线，黑色实线为校准前后实际的传输曲线。 

图8是存在正的采样电容失配的情况下传输曲线校准后效果示意图，图中的黑色虚线为理想的传输曲线，黑色实线为校准前后实际的传输曲线示意图。 

图9和图10分别为本发明实施例的流水线模数转换器存在较大采样电容失配校准前和后的静态特性参数DNL、INL的Simulink模型仿真图。 

  

具体实施方式

下面将结合附图详细说明本发明的实施例的流水线模数转换器的具体结构及其电容失配误差校准方法的具体步骤。 

如图1所示，本发明的一个实施例中，一种流水线模数转换器包括至少两级模数转换器（例如，图1中的10、12、14、16等等）和电容失配误差数字校准电路30。 

本发明的实施例中，设有校准开关电路，该校准开关电路可以设置在该至少两级模数转换器中的前一个或者几个级模数转换器中。 

例如，如图1和图2所示，至少第1级模数转换器10包括校准开关电路102和MDAC（Multiplying Digital to Analog Converter，乘法型数模转换器）电路100。校准开关电路102包括第一开关S_C1和第二开关S_C2，第一开关S_C1一端连接到MDAC电路100，另一端连接到第一参考电压+V_ref/2，第二开关S_C2一端连接到MDAC电路100，另一端连接到第二参考电压-V_ref/2。 

电容失配误差数字校准电路30连接到前述的至少两级模数转换器。 

本发明的实施例中，该至少两级模数转换器可以根据第一参考电压+V_ref/2输出第一数字码，并可以根据第二参考电压-V_ref/2输出包含采样第二数字码。该第一数字码和第二数字码都包含了该流水线模数转换器中的采样电容引起的采样电容误差。 

因此，本发明的实施例中，电容失配误差数字校准电路30可以接收该第一数字码和第二数字码并根据该第一数字码和第二数字码获得流水线模数转换器的电容失配误差校准码。电容失配误差数字校准电路30可以存储这些电容失配误差校准码，并且当流水线模数转换器正常工作时，读取这些电容失配误差校准码并用该电容失配误差校准码校准流水线模数转换器转换输出的数据。 

本发明的实施例中，流水线模数转换器还可以包括冗余位数字校正电路20，该冗余位数字校正电路位于该至少两级模数转换器与电容失配误差数字校准电路30之间。即，该至少两级模数转换器产生的第一数字码和第二数字码可以经过冗余位数字校正电路20的校正之后输入到电容失配误差数字校准电路30中。 

如图2所示，本发明的一个实施例中，MDAC电路100包括运算放大器、采样电容C_S和反馈电容C_f。 

采样电容C_S的一端分别通过开关元件连接到流水线模数转换器的信号输入端V_in、第三参考电压+V_ref、第四参考电压-V_ref和接地端，另一端连接到运算放大器的反相输入端并通过开关元件接地。 

反馈电容C_f的一端连接到运算放大器的反相输入端，另一端分别通过开关元件连接到流水线模数转换器的信号输入端V_in和运算放大器的输出端V_out。 

第一开关S_C1一端连接到采样电容C_S的一端，另一端连接到第一参考电压+V_ref/2；第二开关S_C2一端连接到采样电容C_S的一端，另一端连接到第二参考电压-V_ref/2。 

本发明的前述实施例中，可以看出，第一参考电压为第三参考电压的二分之一，第二参考电压为第四参考电压的二分之一。 

本发明的一个实施例中，使用前述的流水线模数转换器校准电容失配误差的方法可以包括下列步骤。 

首先，可以通过切换开关元件（即通过控制第1级模数转换器10中的各个开关元件的断开和闭合），使采样电容C_S和反馈电容C_f并联，并且一端接地，另一端连接到运算放大器的反相输入端，如图3所示。这个状态称之为“采样相”。 

然后，通过切换开关元件（即通过控制第1级模数转换器10中的各个开关元件的断开和闭合）可以通过控制第1级模数转换器10中的各个开关元件的断开和闭合，使采样电容C_S的一端连接到第一参考电压+V_ref/2，另一端连接到运算放大器的反相输入端，并使反馈电容C_f的一端连接到运算放大器的反相输入端，另一端连接到运算放大器的输出端，如图4所示。这个状态称之为“第一保持相”。此时，该至少两级模数转换器工作输出第一数字码D_p1。该第一数字码D_p1中包含了采样电容误差。 

然后，通过切换开关元件，使采样电容C_S和反馈电容C_f恢复到采样相。 

然后，通过控制第1级模数转换器10中的各个开关元件的断开和闭合，使采样电容C_S的一端连接到第二参考电压-V_ref/2，另一端连接到运算放大器的反相输入端，并使反馈电容C_f的一端连接到运算放大器的反相输入端，另一端连接到运算放大器的输出端，如图5所示。这个状态称之为“第二保持相”。此时，该至少两级模数转换器工作输出第二数字码D_p2。该第二数字码D_p2中包含了采样电容误差。 

然后，电容失配误差数字校准电路30接收该第一数字码D_p1和第二数字码D_p2，并根据该第一数字码和第二数字码获得流水线模数转换器的电容失配误差校准码。例如，一个实施例中，该电容失配误差校准码可以为2(D_p1+ V_ref /2)、2(D_p1 - V_ref /2)。 

当流水线模数转换器正常工作时，电容失配误差数字校准电路30即可以用该电容失配误差校准码校准流水线模数转换器转换输出的数据。 

下面简要说明本发明实施例中的流水线模数转换器及前述的方法的原理。 

电容失配误差可以表示为-DC_sV_ref/C_f，其中D在不同的输入信号V_in的时候分别为-1、0、+1，即如图2所示的本发明的实施例的1.5bit的MDAC的电容失配误差为+ΔC_sV_ref/C_f和-ΔC_sV_ref/C_f，所以其对应的校准码为Code00与Code10，校准码示意图如图6所示。 

在本发明实施例的2个特定校准误差提取周期中，2个周期的采样相如图3所示，在这2个校准误差提取周期的采样相中，两个电容的总电荷为零。 

在本发明实施例的2个特定校准误差提取周期中，第1周期的保持相（第一保持相）如图4所示，得到第一数字码D_p1（如前文所述）；第2周期的保持相（第二保持相）如图5所示，得到第二数字码D_p2（如前文所述）。 

在2个特定的校准误差提取周期后，得到的包含采样电容失配误差的两个数字码分别储存在电容失配误差数字校准电路30的寄存器中，并且在其中进行运算，该数字运算可以只包含数字域上的加减法，所需要的额外元件极其少、时序控制极其简单。本发明一个实施例中，1.5bit校准码Code00、Code10可以分别为2(D_p1+ V_ref /2)、2(D_p1 - V_ref /2)。 

本发明的实施例中，利用在保持相接入+V_ref/2和-V_ref/2的方法，可以迫使后级无校准电路的模数转换器的输出数模在3/4和1/4处，通过电容失配误差数字校准电路30实现对电容失配误差的校准，在实施例的1.5bit的MDAC结构中，通过给不同的段加上相应的校准码，实现误差的校准；在传输曲线的直观表现为误差的搬移。 

图7及图8分别为存在正的采样电容失配的情况下校准前和校准后的示意图，图中的黑色虚线为理想的传输曲线，黑色实线为校准前后实际的传输曲线示意图。 

图9及图10分别为本发明实施例的流水线模数转换器存在较大采样电容失配校准前和后的静态特性参数DNL、INL的Simulink模型仿真图。可见对静态特性有非常大的提升。 

本发明的实施例中，能够校准需要对电容失配误差的级引起的误差，并且结构极其简单、额外元件添加极其少、时序控制极其简单，数字域计算及校准工作只需通过加减法实现，大大减小了数字电路设计的难度与周期。经过仿真验证，本发明的针对流水线模数转换器电容失配误差的校准方法能够有效的校准因电容失配造成的静态特性下降的问题。 

以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。此外，以上多处所述的“一个实施例”表示不同的实施例，当然也可以将其全部或部分结合在一个实施例中。