# 针对adc的片上数字校准系统研究 [TOC] ### 研究意义 ​ 模数转换器是各种数字系统中不可缺少的组成部分，其性能的优劣直接关系整体系统的性能和功能发挥，随着处理器和信号处理技术的不断发展，对adc的性能要求也越来越高，高速高精度已成为信号处理领域必要要求。但是，随着流水线ADC的精度提高的12bit以上时，工艺的偏差导致的电容失配、运放的非理想性等误差使得ADC的精度收到了限制，通过传统模拟电路的设计方法已无法设计出符合要求的高精高速ADC。为实现ADC的高精度，采用数字校准的方法对采集的数据进行误差校准，由于其鲁棒性、灵活性且不打断AD转换，可以有效补偿工艺偏差带来的系统误差，提高流水线ADC的性能。 ### 研究现状分析 #### ADC 分类 - 并行ADC ​ 并行结构的数据转换器的基本思想是：同时比较待转换的信号电平与所有级别的量化电平之间的关系，在模拟信号和数字信号之间相互转换。并行结构所对应的A/D和D/A转换器件分别为Flash-ADC和串状DAC。 ​ Flash-ADC内含一列并联比较器，一列由电阻分压器产生的电平作为相应的比较器的基准电压。被转换的模拟电压信号同时加到全部比较器上，各比较器的输出经编码后作为ADC的输出，如图2.12所示。 ​ 一个分辨率为N（bit）的Flash-ADC含有2N个精密电阻，2N−1个高速比较器；分辨率每增加1bit，需要增加2N个精密电阻和2N个高速比较器，这会大大增加集成的复杂度和器件功耗。因此一般Flash-ADC的分辨率无法达到很高。 ​ 串状DAC是实现Flash-ADC的逆操作，因使用电阻串来构造参考电压而得名，在有的书中也被称为开尔文分配器。串状DAC依靠待转换数据来控制一组开关，以产生合适的电流通过精密电阻，从而产生合适的模拟信号电压。 ​ 并行结构只需要一级模拟电路，因此具有设计简单，转换时间短，速度快的优点，在所有可能的结构中提供最快的数据转换。在分辨率要求较低的情况下，Flash-ADC和串状DAC两种结构都容易采用超大规模集成电路（VLSI）进行设计。然而，由于比较器（或开关）和精密电阻的数量随着转换器的分辨率呈指数增长，Flash-ADC和串状DAC的芯片面积和功耗也随之呈指数增长。 - 流水线型ADC ​ 在采样率于5msps到10msps之间的应用中，流水线ADC体系结构占主导地位。尽管在20世纪80年代和90年代初，全并行体系结构主导了8 bit video IC ADC市场，但流水线体系结构在现代应用中已基本上取代了闪存ADC。有少量采样率大于1GHz的高功率砷化镓（GaAs）闪存转换器，但分辨率限于6或8位。然而，flash转换器仍然是高分辨率流水线ADC的一个流行构件。 ​ 流水线ADC的应用包括视频、图像处理、通信等方面。该体系结构适用于各种成本相对较低的IC工艺，如CMOS和BiCMOS。目前的技术在采样率大于100msps时能达到12到16位的分辨率。 ​ ![image-20211111045023213](https://public.veypi.com/img/screenshot/20211111045023.png) ​ 流水线 ADC 通常由 N 个位数相同或不相同的 低分辨率子级组成 ，除最后一级外 ，每个子级都包括 子 ADC 、子 DAC 、减法电路和余量放大器 ，其中子 DAC 、减法电路和余量放大器组合在一起称为 MDAC ． - 逐次逼近型ADC（SAR) ​ 多年来，SAR ADC一直是数据采集系统的主流。最近的设计改进将这些ADC的采样频率扩展到兆赫范围，分辨率为18位。模拟设备PulSAR®系列SAR ADC使用内部开关电容技术和自动校准，并在CMOS工艺上以2 MSPS（AD7641）提供18位，无需昂贵的薄膜激光微调。在16位级别，AD7625（6 MSPS）和AD7626（10 MSPS）也代表了突破性的技术。 ![image-20211111044722793](https://public.veypi.com/img/screenshot/20211111044722.png) ​ SAR ADC 分多步执行转换, 转换步骤数等 于ADC转换器中的位数。每个步骤均由ADC时钟驱动。每个ADC时钟从结果到输出产生一 位。ADC的内部设计基于切换电容技术。 ​ 以10bit ADC为例 ![image-20211109031931359](https://public.veypi.com/img/screenshot/20211109031931.png) 1. 采样状态：电容充电至电压VIN。Sa切换至VIN，采样期间Sb开关闭合 2. 保持状态：输入断开，电容保持输入电压。Sb开关打开，然后S1-S11切换至接地且Sa切换至VREF。 3. 逐次逼近：第一个逼近步骤。S1切换至VREF。VIN与VREF/2比较。如果MSB = 0，则与¼VREF进行比较，S1切换回接地。S2切换至VREF。如果MSB = 1，则与¾VREF进行比较，S1保持接地。S2切换至VREF。重复如上步骤，直到LSB为止。可以简单理解为二分法逐次进行输入电压与参考电压的比较。首次于VREF/2比较，下次比较根据上次比较结果决定，如果MSB=1则与¾VREF比较。如果MSB=0则与¼VREF比较。后面决定与1/8VREF 3/8VREF、 5/8VREF、 7/8VREF之一做比较。循环直到输出LSB为止。 - ∑–△ ADC ​ sigma-delta ADC是现代声带、音频和高分辨率精密工业测量应用的首选转换器。高度数字化的体系结构非常适合现代fine-line CMOS工艺，因此可以在不显著增加成本的情况下轻松添加数字功能。由于它的广泛使用，了解这种转换器架构背后的基本原理非常重要。 ![image-20211111045737812](https://public.veypi.com/img/screenshot/20211111045737.png) ![image-20211111035553929](https://public.veypi.com/img/screenshot/20211111035553.png) ​ 这种ADC又称为过采样转换器，其结构较简单。它由∑–△调制器及连接于其后的数字滤故器构成。调制器的结构近似于双斜率ADC，包括一个积分器和一个比较器，以及含有一个1位DAC的反馈环。这个内置的DAC仅仅是一个开关。它将积分器输入切换到一个正或负的参考电压。∑–△ADC还包括一个时钟单元.为调制器和数字滤波器提供适当的定时。窄带信号送人∑–△ADC后以非常低的分辨率(1位)进行量化，但采样频率却非常高.如2MHz或更高。经过数字滤波处理后 .这种过采样速率被降低到8kHz左右,同时ADC的分辨率(即动态范围 ) 被提高到16位或更高。尽管比流水线ADC慢且输入带宽较窄，∑–△ADC仍具有以下三种优势： - 低价格、高性能 - 集成化的数字滤波 - 与DSP技术兼容,便于实现系统集成 - 积分型ADC ​ ![image-20211111040447545](https://public.veypi.com/img/screenshot/20211111040447.png) ​ 积分型ADC又称双斜率或多斜率数据转换器，是应用最为广泛的转换器类型。经典的双斜率转换器包括两个主要部分:一部分电路采样并量化输入电压.产生一个时域间隔或脉冲序列;再由一个计数器将其转换为数字量输出。双斜率转换器采用一个带有输入切换开头关的模拟积分器，一个比较器和一个计数单元。积分器对输入电压积分固定的时间间隔Tm幢，诙时间间隔通常对应于内部计数单元的最大计数(如图4所示)时间到达后将计数器复位井将积分器输入连接到反极性(负)参考电压。在这个反扳性信号作用下积分器被“反向积分直到括出回到零，井使计数器终止 ，积分器复位。 - 折叠型ADC (Folding ADC) ​ “折叠”架构使用每比特一级执行A/D转换，总体概念如图1所示。每级一位且无纠错的多级流水线ADC基本上是bit-per-stage转换器。实际上，这种类型的流水线转换器通常使用每级1.5bit的方法来提供错误校正。 ![image-20211111050106566](https://public.veypi.com/img/screenshot/20211111050106.png) #### ADC误差分析 ​ 要研究ADC数字校准系统，就先要对校准目标有个清晰的认识，明白其误差产生原理，才能针对性去校准误差。 ADC误差主要来源于内部自身转换产生的误差和外部环境造成的误差。 ​ 先简单分析下外部环境误差，外部环境并非在生产和研发阶段可以控制的因素，因此也不在片上校准系统校准范围内， 如参考电压噪声、模拟输入信号噪声、ADC动态范围匹配不佳、模拟信号源电阻、注入电流、温度等影响都会对最后转换精度造成影响。 - 量化误差 ​ 量化误差是基本误差，用简单3bit ADC来说明。输入电压被数字化，以8个离散电平来划分，分别由代码000b到111b去代表它们，每一代码跨越Vref/8的电压范围。代码大小一般被定义为一个最低有效位（Least Significant Bit，LSB）。若假定Vref＝8V时，每个代码之间的电压变换就代表1V。换言之，产生指定代码的实际电压与代表该码的电压两者之间存在误差。一般来说，0.5LSB偏移加入到输入端便导致在理想过渡点上有正负0.5LSB的量化误差。 - 微分非线性误差 ​ 微分线性误差（DLE）为实际步进和理想步进之间的最大偏离。这里的“理想情况”不是指理想传输曲线，而是指ADC分辨率。在下图中，用ED表示DLE。 ​ ED = 实际步宽 – 1 LSB ​ 理想情况下，1 LSB的模拟输入电压变化量应导致数字代码变化。如果需要大于1 LSB的模拟输入电压才能导致数字代码变化，将观察到微分线性误差。因此，DLE对应于从一个数字代 码变为下一个数字代码所需的最大额外电压。DLE也称为微分非线性（DLE）误差。 ![image-20211109030333509](https://public.veypi.com/img/screenshot/20211109030333.png) - 积分非线性误差 ​ 积分线性误差为任何实际转换和端点相关线间的最大偏离。在下图中，用*EL*表示ILE。端点相关线可以定义为A/D传输曲线上连接第一次实际转换与最后一次实际转换的线。*EL*是指与每一次转换的这条线的偏离。因此，端点相关线对应于实际传输曲线并且与理想传输曲线不相关。ILE也称为积分非线性（INL）误差。ILE是整个范围内DLE的积分。 ![image-20211109030406978](https://public.veypi.com/img/screenshot/20211109030407.png) - 增益与偏移误差 ​ 偏移误差是第一次实际转换和第一次理想转换之间的偏离。第一次转换发生在数字ADC输出 从0变为1时。理想情况下，当模拟输入介于0.5 LSB和1.5 LSB之间时，数字输出应为1。仍然是理想情况下，第一次转换发生在0.5 LSB处。用EO表示偏移误差。 ![image-20211109030126294](https://public.veypi.com/img/screenshot/20211109030126.png) ​ 增益误差是最后一次实际转换和最后一次理想转换之间的偏离。增益误差用EG表示。最后一次实际转换是从0xFFE到0xFFF的转换。理想情况下，当模拟输入等于VREF+ – 0.5 LSB时，应存在从0xFFE到0xFFF的转换。因此对于VREF+= 3.3 V，最后一次理想转换应发生 在3.299597 V处。如果ADC提供VAIN < VREF+ – 0.5 LSB的0xFFF读数，将获得负增益误差。 ![image-20211109030156600](https://public.veypi.com/img/screenshot/20211109030156.png) #### ADC 校准方案 ##### 校准系统分类 - 模拟校准 使用电路补偿器件误差 - 数字校准 - 前台校准 校准时ADC不工作， 结束后切换 - 后台校准 ADC工作同时进行误差校准 ##### 现有校准方法 - 基于统计的数字校准 ![image-20211109035242932](https://public.veypi.com/img/screenshot/20211109035242.png) - 自适应滤波 - 多项式插值法 ![image-20211109034415807](https://public.veypi.com/img/screenshot/20211109034415.png) ![image-20211109034516055](https://public.veypi.com/img/screenshot/20211109034516.png) - 有限状态机 ![image-20211109034629257](https://public.veypi.com/img/screenshot/20211109034629.png) ![image-20211109034652661](https://public.veypi.com/img/screenshot/20211109034652.png) ​ 采用有 限状态机的方法一。1刨计算每级校准误差，将每级的校 准信息存入寄存器中。误差运算结束后，将校准参数 对输出码进行校准运算，得到校准后的数字码输出。此数字校准算法可校准对ADC线性影响最大的电容失配误差，适合于1.5 bit级电路和多bit级电 路。明显提高了流水线ADC的无杂散动态范围和有 效精度，对模拟电路的改动较小。 - LMS - 迭代法 ### 研究方案 1. 研究目标 ​ 比较现有不同校准算法性能及功耗，针对adc片上校准系统做面积和功耗优化 2. 研究内容 ​ 流水线型ADC 逐次逼近型ADC ∑–△ ADC是现在比较常用和符合未来发展需要的ADC类型, 各有其优势和特点，实现 3. 拟解决的问题 4. 拟采取的研究方法及可行性分析 - 阅读相关文献，理解现有校准方案 - 根据调研至少确定五种以上校准方案，在fpga上进行硬件实现 - 比较每种方案优劣，分析其性能功耗面积 - 优化和探索新的实现思路，实现adc校准系统各项指标优化 ### references [1]丁洋, 王宗民. 一种基于统计的流水线ADC数字后台校准方法[J]. 微电子学与计算机, 2011, 28(2):5. 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