摘要：隨著流水線ADC精度的不斷提高，其轉(zhuǎn)換器性能受到各種電路非線性的嚴(yán)重影響。電容失配是引起非線性的一種主要因素。實踐表明，電容誤差平均技術(shù)是消除失配誤差的一種有效途徑。介紹幾種重要的電容誤差平均方法的原理和工作方式，并指出各自存在的優(yōu)缺點。最后對誤差校準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展趨勢進行分析與展望。

關(guān)鍵詞：流水線ADC電容誤差平均；電容交換；誤差校準(zhǔn)

中圖分類號：TN431

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1004—373X(2008)04—015—03

1 引 言

隨著數(shù)字信號處理技術(shù)在無線通訊等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們對于模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)速度與精度等方面要求也越來越高。但出于功耗和成本等方面的考慮，器件尺寸和電源電壓的降低使得高速高精度ADC的設(shè)計變得越來越具有挑戰(zhàn)性。在各種不同類型的ADC中，流水線結(jié)構(gòu)(pipeline)的ADC很好地協(xié)調(diào)了面積與速度之間的矛盾。他具有相對低的功耗和芯片尺寸，同時可以實現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換速率。但是在實現(xiàn)高分辨率的流水線ADC時，由器件失配等因素引起的誤差(如比較器電壓失調(diào)引起的閾值偏移，電容失配等)如果不消除，將對ADC的性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。因此，為了減小誤差，使ADC達到更高的有效精度以滿足人們對高精度的現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需求，許多的片上校準(zhǔn)技術(shù)被開發(fā)出來，這些校準(zhǔn)技術(shù)雖然各具特點，但總體上可以分為以下2大類：片上模擬校準(zhǔn)；片上數(shù)字校準(zhǔn)。此外，還有一類重要的校準(zhǔn)技術(shù)——電容誤差平均(CEA)技術(shù)。CEA技術(shù)之前一直被認(rèn)為是模擬校準(zhǔn)中的一種方式，但2006年數(shù)字電容平均技術(shù)的提出，使其現(xiàn)有的實現(xiàn)方式中既有模擬校準(zhǔn)，又有數(shù)字校準(zhǔn)。本文就電容誤差平均技術(shù)中的各種方法的原理及特點做一簡單的介紹，并由此展望其發(fā)展趨勢。

2 流水線ADC的結(jié)構(gòu)

雖然實際的流水線ADC應(yīng)為全差分結(jié)構(gòu)，但是由于電路的對稱性，本文只對單端進行原理分析(有源誤差平均技術(shù)除外)。如圖1所示，整個電路由1個采樣保持電路和N位相同的子級電路構(gòu)成。其每一個子級的工作原理相同：

顯然可以看出誤差電壓由式(4)和式(5)中的一階變?yōu)槭?7)中的二階，從而達到電容誤差平均的目的。同有源技術(shù)相比，無源技術(shù)將電路的規(guī)模減小近一半，因此可以達到減小功耗、面積和噪聲方面的目的。但是，由于一個轉(zhuǎn)換周期需要4個時鐘相，使得模／數(shù)轉(zhuǎn)換速度比未校準(zhǔn)時要慢一倍，因此適用于速度要求不高而功耗和分辨率要求較高的場合。值得一提的是，由于PCEA技術(shù)在速度方面的性能較低，文獻提出一種改進的PCEA技術(shù)，使速度等方面的性能得到了一定的提高。

DCEA技術(shù)的校準(zhǔn)過程與文獻中的查表校對法類似，從最低位開始到最高位結(jié)束。他將CEA技術(shù)中模擬域的矛盾成功的轉(zhuǎn)移到了數(shù)字域。并通過有效的數(shù)字運算將其解決，使得電路的性能得到提高。

4 總結(jié)與展望

本文主要介紹3種不同的電容誤差平均技術(shù)在流水線ADC中的應(yīng)用。其中ACEA是典型的模擬校準(zhǔn)技術(shù)，需要增加額外的模擬電路以及額外的時鐘來實現(xiàn)；PCEA雖然不用加入額外的模擬電路，但相對于ACEA需要更多的時鐘來處理，因此從本質(zhì)上來說也屬于模擬域的范疇；而DCEA技術(shù)則屬于數(shù)字校準(zhǔn)方法。從ACEA技術(shù)發(fā)展到DCEA技術(shù)，校準(zhǔn)方法也由模擬校準(zhǔn)過渡到數(shù)字校準(zhǔn)，電路性能的提升是顯而易見的。隨著人們對流水線ADC精度與速度要求的不斷提高，其誤差校準(zhǔn)技術(shù)的研究也是日新月異。由于數(shù)字校準(zhǔn)相對可以帶來更低的功耗、更小的面積和更大的設(shè)計靈活性，因此可以給校準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展提供更為廣闊的空間?？傊S著新的校準(zhǔn)技術(shù)的運用以及集成電路工藝的發(fā)展，流水線ADC必將沿著低功耗、高速度和高精度的的方向不斷進步。