АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ И СПОСОБ КАЛИБРОВКИ СМЕЩЕНИЯ НУЛЯ Российский патент 2014 года по МПК H03M1/10 

Изобретение относится к электронике и может быть использовано в системах обработки аналоговых сигналов и преобразования аналоговой информации в цифровую, в частности, в быстродействующих аналого-цифровых преобразователях (АЦП).

Цель изобретения - уменьшение погрешности преобразования АЦП за счет снижения влияния рассогласования параметров элементов с помощью калибровки.

Известно множество схем быстродействующих АЦП. Например, в патенте США 5,574,457 от 12.11.1996 г., МКИ Н03М "Switched capacitor gain stage" представлен каскад конвейерного АЦП с двойной выборкой и АЦП на его основе. Такой каскад содержит два семплера на коммутируемых конденсаторах с общим усилителем. Двойная выборка позволяет удвоить скорость преобразования по сравнению с одиночной выборкой. Недостатком АЦП с двойной выборкой является неидентичнось параметров семплеров, вызванная естественным разбросом элементов и приводящая к погрешности преобразования и ухудшению динамических параметров АЦП.

Способы калибровки АЦП и их эффективность во многом определяются архитектурой и особенностями АЦП. Предметом настоящего изобретения является реализация и способ калибровки смещения нуля в АЦП с двойной выборкой.

Наиболее близкими к заявляемому является АЦП и способ его калибровки, представленные в патенте РФ №2442279, МПК Н03М 1/10 (2006.01), опубликованном 10.02.2012 г., бюллетень №4. Существенные особенности схемы АЦП-прототипа изображены на Фиг.1.

Известный N-разрядный АЦП включает:

- М-разрядный параллельный АЦП1 110, вход которого подключен к входу АЦП 100, М-разрядный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП1) 120, вход которого управляется выходом АЦП1, причем АЦП1 и ЦАП1 используют общий последовательный резистивный делитель 130;

- устройство выборки и хранения (УВХ) 140, формирующее выходной сигнал, равный или кратный разности входного сигнала АЦП и выходного сигнала ЦАП1;

- с целью повышения помехоустойчивости весь аналоговый тракт АЦП, включая АЦП1, ЦАП1 и УВХ, является дифференциальным;

- УВХ (Фиг.3) работает по схеме с двойной выборкой, для чего служат два дифференциальных семплера А 310 и В 320 на коммутируемых конденсаторах с общим дифференциальным усилителем 360. В любой момент времени один семплер находится в режиме выборки (на Фиг.3 - семплер А), другой - в режиме хранения (на Фиг.3 - семплер В). На каждом такте происходит переключение режимов семплеров;

- (N-М+1)-разрядный конвейерный АЦП2 150 с входом, подключенным к выходу УВХ;

- блок логики АЦП 160, формирующий из выходных кодов АЦП1 162 и АЦП2 164 выходной код АЦП 166;

- ключи калибровки 170, подающие при калибровке на вход УВХ нулевой дифференциальный сигнал;

- ЦАПА калибровки смещения нуля 180, формирующий сигнал калибровки для операционного усилителя УВХ таким образом, что при нулевом сигнале на входе АЦП на его выходе формируется код, точно или близко соответствующий входному нулевому сигналу;

- блок логики калибровки 190, вход которого подключен к старшему разряду выхода АЦП2, а выходы подключены к входам ЦАП1, ЦАПА и ключам калибровки 170.

Известный по прототипу АЦП работает следующим образом.

АЦП1 110 производит параллельное аналого-цифровое преобразование входного сигнала 100 и определяет М старших разрядов выходного кода АЦП. Результат преобразования АЦП1 поступает на вход М-разрядного ЦАП1 120, формирующего на своем выходе напряжение, равное напряжению одного из 2^M+1 опорных уровней делителя, ближайшему к входному сигналу. УВХ 140 формирует на своем выходе сигнал, равный или кратный разности входного сигнала АЦП 100 и выходного напряжения ЦАП1.

Блок логики АЦП 160 формирует из М-разрядного кода АЦП1 162 и (N-M+1)-разрядного кода АЦП2 164 N-разрядный выходной код АЦП 166, используя избыточный разряд для цифровой коррекции ошибок по известной схеме.

При калибровке ключи калибровки 170 подают на вход УВХ нулевой дифференциальный сигнал. Это достигается переключением обоих плеч дифференциального входа УВХ 140 с входа АЦП на цепь с известным потенциалом, например, средний отвод резистивного делителя. Таким образом, на входе УВХ формируется нулевое дифференциальное напряжение. В ЦАП1 120 загружают код 2^M-1, также соответствующий дифференциальному нулю на его выходе. В таком состоянии на обоих дифференциальных входах УВХ присутствуют нулевые сигналы, а АЦП преобразует свое смещение нуля в цифровой код. При этом аналоговый вход АЦП 100 отключен от УВХ. Далее методом последовательного приближения определяют такой код ЦАПА 180, при котором переключается старший разряд выходного кода АЦП2. Этот код ЦАПА соответствует его выходному сигналу, компенсирующему смещение нуля, и используется при нормальной работе АЦП после калибровки.

Преимуществом рассматриваемого известного АЦП являются возможность калибровки смещения нуля АЦП. Этот параметр является важным в ряде приложений.

Основным недостатком известного АЦП и способа его калибровки является разное смещение нуля в двух семплерах, приводящее к остаточной ошибке, не устранимой описанным способом калибровки. Смещение нуля вызвано рассогласованием конденсаторов и ключей семплеров в дифференциальных плечах УВХ и разностью синфазных уровней входного сигнала АЦП и выхода ЦАП1. Это приводит к ошибке преобразования и ухудшению динамических характеристик АЦП. В частности, в спектре выходного кода АЦП появляется компонента на частоте Найквиста.

Целью настоящего изобретения является уменьшение погрешности преобразования АЦП за счет устранения расслоения смещения нуля по семплерам путем введения калибровки смещения нуля индивидуально для каждого семплера.

Поставленная цель достигается тем, что в N-разрядный аналого-цифровой преобразователь с калибровкой смещения нуля, включающий М-разрядный параллельный АЦП1, вход которого подключен к входу АЦП, М-разрядный цифро-аналоговый преобразователь ЦАП1, вход которого управляется выходом АЦП1, причем АЦП1 и ЦАП1 используют общий последовательный резистивный делитель, устройство выборки и хранения УВХ с двойной выборкой, осуществляемой поочередно семплерами А и В, формирующее выходной сигнал, равный или кратный разности входного сигнала АЦП и выходного сигнала ЦАП1, (N-М+1)-разрядный конвейерный АЦП2, вход которого подключен к выходу УВХ, причем АЦП1, ЦАП1, УВХ и АЦП2 являются дифференциальными, блок логики АЦП, формирующий из выходных кодов АЦП1 и АЦП2 выходной код АЦП, ЦАПА калибровки, формирующий сигнал калибровки смещения нуля усилителя УВХ, ключи калибровки, подающие при калибровке на вход УВХ нулевой дифференциальный сигнал, блок логики калибровки, вход которого подключен к старшему разряду выхода АЦП2, а выход управляет ЦАП1, ЦАПА и ключами калибровки, дополнительно введены ЦАПВ калибровки и коммутатор, подающий на усилитель УВХ сигнал калибровки смещения нуля от ЦАПА или ЦАПВ, соответствующий семплеру, находящемуся в данный момент времени в состоянии хранения.

Поставленная цель достигается способом калибровки АЦП, при котором ключи калибровки подают на вход УВХ нулевой дифференциальный сигнал, на вход ЦАП1 подают код 2^M-1, определяют индивидуально для каждого из двух семплеров А и В коды калибровки смещения нуля, соответствующие переключению старшего разряда АЦП2, и загружают их в ЦАПА и ЦАПВ, а во время нормальной работы через коммутатор на усилитель УВХ подают сигнал калибровки от ЦАПА или ЦАПВ, соответствующий семплеру, находящемуся в данный момент времени в состоянии хранения.

Поставленная цель достигается также способом калибровки АЦП, при котором ключи калибровки подают на вход УВХ нулевой дифференциальный сигнал с синфазным уровнем, равным или близким к синфазному уровню входного сигнала.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

- на Фиг.1 представлена схема наиболее близкого заявляемому известного АЦП (прототип);

- на Фиг.2 представлена схема заявляемого АЦП по пп.1, 2 и 3 Формулы;

- на Фиг.3 представлена схема дифференциального УВХ с двойной выборкой;

- на Фиг.4 представлены спектры выходного кода АЦП с индивидуальной калибровкой смещения нуля для каждого семплера и без нее.

Ниже приведено описание устройства и работы заявляемого АЦП.

На Фиг.2 представлена схема заявляемого АЦП. Входной сигнал 100 поступает на входы АЦП1 110 и УВХ 140. АЦП1 производит параллельное аналого-цифровое преобразование входного сигнала и определяет М старших разрядов выходного кода АЦП. Результат преобразования АЦП1 поступает на вход М-разрядного ЦАП1 120, формирующего на выходе напряжение, равное напряжению одного из 2^M+1 опорных уровней делителя, ближайшему к входному сигналу. УВХ 140 формирует на своем выходе напряжение, равное или кратное разности входного сигнала АЦП и выходного напряжения ЦАП1. Выходной сигнал УВХ поступает на вход конвейерного (N-M+1)-разрядного АЦП2 150. Блок логики АЦП 160 собирает М-разрядный код АЦП1 162 и (N-М+1)-разрядный код АЦП2 164 в N-разрядный выходной код АЦП 166. Избыточность кодов используется для коррекции ошибок компараторов АЦП1.

Блок логики калибровки 190 управляет процессом калибровки и вычисляет коды калибровки, подаваемые на входы ЦАПА 182 и ЦАПВ 184. На выходах ЦАПА и ЦАПВ формируются сигналы калибровки, комперсирующие смещение нуля каждый своего семплера. Коммутатор 186 выбирает сигнал калибровки, соответствующий семплеру, находящемуся в данный момент времени в режиме хранения, и подает его на дифференциальный усилитель УВХ 140.

Следует отметить, что для уменьшения ошибок калибровки, вызванных процессами установления в усилителе УВХ после переключения сигналов калибровки, целесообразно выполнять ЦАПА и ЦАПВ с токовыми выходами и использовать в качестве коммутатора схему переключения токовых сигналов калибровки, управляющих смещением нуля усилителя УВХ.

На Фиг.3 приведена схема дифференциального УВХ с двойной выборкой. Семплер А 310 включает два дифференциальных плеча 312 и 314. Семплер В 320 включает два дифференциальных плеча 322 и 324. На Фиг.3 изображены детали только одного положительного плеча 312 семплера А 310. Остальные плечи 314, 322 и 324 имеют точно такую же структуру. Сигналы Vip 330 и Vin 332 образуют дифференциальный входной сигнал УВХ. Сигналы Vdp 340 и Vdn 342 образуют второй дифференциальный входной сигнал УВХ, вычитаемый из первого. Сигналы Vop 350 и Von 352 образуют дифференциальный выходной сигнал УВХ. УВХ имеет общий для двух семплеров дифференциальный усилитель 360.

На Фиг.3 ключи 373, 374, 377 находятся в проводящем состоянии, а ключи 375, 376, 378 - в непроводящем состоянии. Семплер А находится в состоянии выборки, то есть подключен ко входу АЦП и отслеживает изменение входного напряжения. Ключи семплера В находятся в противоположном состоянии, а сам семплер - в состоянии хранения и подключен к дифференциальному усилителю 360 и дифференциальному входу УВХ Vdp/Vdn.

Введем обозначение дифференциальных сигналов:

$$Vi=Vip-Vin$$

$$Vd=Vdp-Vdn$$

$$Vo=Vop-Von$$

тогда для идеального УВХ

$$Vo=\left(Vi-Vd\right)*C1/C2\left(\text{1}\right)$$

Отношение емкостей конденсаторов 141 и 142 С1р/С2р определяет коэффициент передачи УВХ. Так, в АЦП прототипа С1р/С2р=2. Рассмотрим случай рассогласования конденсаторов при идеальном усилителе УВХ. Пусть C1p/C2p=2+mp, где mp - малая случайная для конкретного АЦП и семплера величина, стандартное отклонение которой зависит от размеров конденсаторов и технологического процесса изготовления. В общем случае рассогласование конденсаторов в разных плечах одного дифференциального семплера может быть неодинаковым. Тогда C1n/C2n=2+mn, а выражение (1) примет вид:

$$Vo=\left(Vi-Vd\right)*2+\left(Vip-Vdn\right)*mp-\left(Vin-Vdn\right)*mn\left(\text{2}\right)$$

Величина e=(Vip-Vdp)*mp-(Vin-Vdn)*mn представляет собой ошибку семплера, вызванную рассогласованием конденсаторов.

Теперь представим напряжения плеч дифференциальных входных сигналов относительно их синфазных уровней Vic, Vdc:

$$Vip=Vic+Vi/2$$ $$Vin=Vic-Vi/2$$ $$Vdp=Vdc+Vd/2$$ $$Vdn=Vdc-Vd/2$$

Подставив эти напряжения в выражение для ошибки семплера, получим:

$$\begin{array}{l}e=\left(Vic*mp+Vi/2*mp\right)-\left(Vdc*mp+Vd/2*mp\right)\\ -\left(Vic*mn-Vi/2*mn\right)+\left(Vdc*mn-Vd/2*mn\right)\\ =Vic*\left(mp-mn\right)-Vdc*\left(mp-mn\right)+Vi/2*\left(mp+mn\right)-Vd/2*\left(mp+mn\right)\\ =\left(Vic-Vdc\right)*\left(mp-mn\right)+\left(Vi-Vd\right)*\left(mp+mn\right)/2\end{array}$$

Теперь выражение (2) примет вид:

$$Vo=\left(Vi-Vd\right)*\left(2+\left(mp+mn\right)/2\right)+\left(Vic-Vdc\right)*\left(mp-mn\right)\left(\text{3}\right)$$

Пусть теперь усилитель УВХ имеет собственное смещение нуля Vz. Тогда с точностью до малых величин второго порядка, определяемых произведением малого смещения нуля на малое рассогласование конденсаторов, выражение (3) примет вид:

$$Vo=Vz+\left(Vi-Vd\right)*\left(2+\left(mp+mn\right)/2\right)+\left(Vic-Vdc\right)*\left(mp-mn\right)\left(\text{4}\right)$$

При калибровке Vi=Vd=0 и выражение (4) сводится к:

$$Vo=Vz+\left(Vic-Vdc\right)*\left(mp-mn\right)\left(\text{5}\right)$$

Первое слагаемое Vz в выражении (5) представляет собой собственное смещение нуля усилителя УВХ и калибруется способом, предложенным в прототипе.

Второе слагаемое (Vic-Vdc)*(mp-mn) в выражении (5) представляет собой дополнительное смещение нуля, вызванное рассогласованием конденсаторов. Дополнительные смещения нуля в разных семплерах определяются рассогласованием разных и независимых групп конденсаторов и, следовательно, имеют разные значения.

Второе слагаемое в выражении (5) зависит также от разности (Vic-Vdc) синфазных уровней входного сигнала и выхода ЦАП1. Важно, чтобы значение этой разности было одинаковым при калибровке и нормальной работе АЦП. В противном случае часть дополнительного смещения нуля останется неоткалиброванной.

Разные перемежающиеся во времени смещения нуля семплеров не могут быть сведены просто к смещению нуля АЦП. Эти ошибки ухудшают динамические характеристики и проявляются как компонента выходного спектра АЦП на частоте Найквиста.

На Фиг.4 приведен спектр 12 разрядного АЦП с двойной выборкой. На верхней диаграмме смещения нуля семплеров равны, что может быть при гипотетическом отсутствии рассогласования конденсаторов. На нижней диаграмме смещения нуля семплеров отличаются на 1 младший разряд. Видно появление на нижней диаграмме спектральной компоненты на частоте Найквиста на уровне -73 dBFS и снижение отношения сигнал/шум + искажения (SNDR) на 1.6 dBFS.

Для устранения ошибок смещения нуля АЦП в соответствии с п.1 Формулы включает (Фиг.2):

- блок логики калибровки 190, управляющий процессом калибровки и вычисляющий коды калибровки;

- ЦАПА 180 и ЦАПВ 184, формирующие сигналы калибровки, комперсирующие смещение нуля каждый своего семплера;

- коммутатор 186, выбирающий сигнал калибровки ЦАПА или ЦАПВ для семплера, находящегося в данный момент времени в режиме хранения, и подающий его на дифференциальный усилитель УВХ 140.

В соответствии с п.2 Формулы калибровка проводится индивидуально для каждого семплера. Для этого (см Фиг.2) ключи калибровки 170 под управлением блока логики калибровки 190 подают на вход УВХ дифференциальный нулевой сигнал. В частном случае ключи калибровки 170 подключает оба плеча дифференциального входа УВХ к среднему отводу делителя 130. Блок логики калибровки 190 загружает в ЦАП1 120 код 2^M-1, также соответствующий дифференциальному нулю на его выходе. Таким образом, на обоих дифференциальных входах УВХ установлены нули. Сконфигурированный таким образом АЦП преобразует свое смещение нуля в цифроврй код.

Необходимо отметить, что УВХ является не единственным, хотя и доминирующим, источником смещения нуля АЦП. Кроме того, дополнительным источником смещения в УВХ является паразитная емкость сигнальных шин входов усилителя, причем разная в разных семплерах. В любом случае калибруется суммарное смещение нуля АЦП. Описываемый способ решает именно эту задачу.

В соответствии с п.3 Формулы калибровка проводится при подаче на вход УВХ нулевого дифференциального сигнала с потенциалом синфазного уровня, равным или близким к синфазному уровню входного сигнала. В этом случае ключи калибровки 170 подключают оба плеча дифференциального входа УВХ к цепи с потенциалом синфазного уровня входного сигнала. Таким образом, достигается постоянство разности (Vic-Vdc) при калибровке и нормальной работе АЦП, что обеспечивает наиболее точную калибровку смещения нуля семплеров, вызванную рассогласованием конденсаторов.

Далее блок логики калибровки 190 организует процедуру двоичного поиска кодов ЦАПА и ЦАПВ, минимизирующих смещение нуля для соответствующего семплера. Критерием для этой процедуры является главный межкодовый переход или переключение старшего двоичного разряда АЦП2. Возможны разные схемы организации процедур для двух семплеров, включая усреднение для снижения влияния случайных шумов на результаты калибровки. При современных возможностях синтеза логики это не представляет трудностей.

По завершении процедур двоичного поиска блок логики калибровки 190 загружает в ЦАПА и ЦАПВ коды калибровки, соответствующие семплерам А и В, и переходит в режим нормальной работы. В этом режиме коммутатор 186 осуществляет выбор одного из выходных сигналов калибровки ЦАПА или ЦАПВ, соответствующего семплеру, находящемуся в данный момент в режиме хранения, и подает его на усилитель УВХ.

Отметим, что индивидуальная калибровка смещения нуля семплеров в УВХ с двойной выборкой может быть реализована и одним ЦАП калибровки без коммутатора. При этом необходимо непрерывно перегружать коды калибровки для каждого семплера, а ЦАП должен обладать высоким быстродействием, недостижимым при большой частоте выборки АЦП. Использование двух ЦАПов калибровки и переключателя тока в качестве коммутатора обеспечивает наибольшую скорость переключения сигнала калибровки УВХ.

В настоящем описании блок логики АЦП 160 и блок логики калибровки 190 разделены исключительно по функциональному признаку. В реальном АЦП оба блока логики могут быть представлены единым поведенческим описанием и синтезированы в один топологический блок.

Изобретение относится к электронике и может быть использовано в системах обработки аналоговых сигналов и, в частности, в быстродействующих аналого-цифровых преобразователях (АЦП). Технический результат - уменьшение погрешности преобразования АЦП за счет устранения расслоения смещения нуля по семплерам путем введения калибровки смещения нуля индивидуально для каждого семплера. N-разрядный комбинированный АЦП включает входной параллельный М-разрядный АЦП1, М-разрядный цифроаналоговый преобразователь (ЦАП1), устройство выборки и хранения (УВХ) и конвейерный (N-М+1)-разрядный АЦП2. М-разрядные АЦП1 и ЦАП1 используют общий последовательный резистивный делитель. УВХ с двойной выборкой, состоящее из усилителя и двух семплеров, формирует разностный сигнал входного напряжения АЦП и выходного напряжения ЦАП. Весь аналоговый тракт АЦП выполнен дифференциальным. В АЦП реализована индивидуальная калибровка смещения нуля для разных семплеров, для чего используют два идентичных ЦАПа калибровки и коммутатор, подающий на усилитель УВХ сигнал калибровки, соответствующий семплеру, находящемуся в режиме хранения, от одного из ЦАПов калибровки. При калибровке на вход УВХ подают нулевой дифференциальный сигнал с синфазным уровнем, равным или близким к синфазному уровню входного сигнала. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. N-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с калибровкой смещения нуля, включающий М-разрядный параллельный АЦП1, вход которого подключен к входу АЦП, М-разрядный цифроаналоговый преобразователь (ЦАП1), вход которого управляется выходом АЦП1, причем АЦП1 и ЦАП1 используют общий последовательный резистивный делитель, устройство выборки и хранения (УВХ) с двойной выборкой, осуществляемой поочередно семплерами А и В, формирующее выходной сигнал, равный или кратный разности входного сигнала АЦП и выходного сигнала ЦАП1, (N-М+1)-разрядный конвейерный АЦП2, вход которого подключен к выходу УВХ, причем АЦП1, ЦАП1, УВХ и АЦП2 являются дифференциальными, блок логики АЦП, формирующий из выходных кодов АЦП1 и АЦП2 выходной код АЦП, ЦАПА калибровки, формирующий сигнал калибровки смещения нуля усилителя УВХ, ключи калибровки, подающие при калибровке на вход УВХ нулевой дифференциальный сигнал, блок логики калибровки, вход которого подключен к старшему разряду выхода АЦП2, а выход управляет ЦАП1, ключами и ЦАПА калибровки, и отличающийся тем, что АЦП дополнительно включает ЦАПВ калибровки и коммутатор, подающий на усилитель УВХ сигнал калибровки смещения нуля от ЦАПА или ЦАПВ, соответствующий семплеру, находящемуся в данный момент времени в состоянии хранения.

2. Способ калибровки АЦП по п.1, при котором на вход ЦАП1 подают код 2^M-1, определяют и загружают в ЦАПА код калибровки смещения нуля, соответствующий переключению старшего разряда АЦП2 при нулевом дифференциальном сигнале на входе УВХ и отличающийся тем, что калибровку смещения нуля проводят индивидуально для каждого из двух семплеров А и В, полученные коды калибровки загружают соответственно в ЦАПА и ЦАПВ, а во время нормальной работы на усилитель УВХ коммутатором подают сигнал калибровки от ЦАПА или ЦАПВ, соответствующий семплеру, находящемуся в данный момент времени в состоянии хранения.

3. Способ калибровки АЦП по п.2, отличающийся тем, что при калибровке на вход УВХ подают нулевой дифференциальный сигнал с синфазным уровнем, равным или близким к синфазному уровню входного сигнала.