АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО КАЛИБРОВКИ
ANALOGUE-TO-DIGITAL CONVERTER AND METHOD FOR CALIBRATION THEREOF

Изобретение относится к электронике и может быть использовано в микроэлектронных 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 и способов их калибровки. Например, в патенте США 6617992 В2 от 09.09.2003 г., МКИ Н03М 1/38 "Capacitor mismatch independent gain stage for differential pipeline analog to digital converters" представлен конвейерный АЦП с калибровкой рассогласования емкостей конденсаторов в каскадах АЦП. В этом АЦП влияние рассогласования емкостей конденсаторов на погрешность преобразования устраняется за счет введения дополнительных блоков переключаемых конденсаторов и использования специального алгоритма расчета кодов, формируемых каскадами АЦП, и выходного кода АЦП.
Способы калибровки АЦП и их эффективность во многом определяются архитектурой и особенностями АЦП. Предметом настоящего изобретения является схемная реализация и способ калибровки АЦП, использующих комбинированную архитектуру с параллельным АЦП на входе и последующим конвейерным АЦП с уменьшенным диапазоном сигналов.
Наиболее близкими к заявляемому, является быстродействующий АЦП и способ его калибровки, представленные в патенте РФ №2442279, МКИ Н03М 1/14, опубликованном 10.02.2012 г. Существенные особенности схемы известного 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 цифроаналоговый преобразователь (ЦАП1) 120, вход которого управляется выходом АЦП1, причем АЦП1 и ЦАП1 используют общий последовательный резистивный делитель 130, подключенный к источнику опорного напряжения Vref 135;
- устройство выборки и хранения (УВХ) 140, формирующее выходной сигнал, равный или кратный разности входного сигнала АЦП и выходного сигнала ЦАП1;
- (N-M+1) - разрядный конвейерный АЦП2 150 с входом, подключенным к выходу УВХ;
- опорный источник Vref2 152 с напряжением меньшим напряжения источника Vref;
- блок логики АЦП 160, формирующий из выходных кодов АЦП1 162 и АЦП2 164 выходной код АЦП 166;
- первый 171 и второй 172 компараторы калибровки, переключающиеся при входном сигнале АЦП2, равном его полной шкале и минус полной шкале соответственно;
- ЦАП1к калибровки 270, формирующий во время калибровки входной сигнал УВХ;
- ЦАП2к 180, управляющий напряжением источника Vref2 152;
- блок логики калибровки 190, входы которого подключены к выходу АЦП2 164 и компараторов калибровки 171 и 172, а выходы управляют входами ЦАП1, ЦАП1к и ЦАП2к.
Известный по прототипу АЦП работает следующим образом.
M
АЦП1 110, подключенный к источнику опорного напряжения Vref 135, производит параллельное аналого-цифровое преобразование входного сигнала в диапазоне напряжений Vref 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+1 опорных уровней делителя 130, ближайшему к входному сигналу. УВХ 140 формирует на своем выходе сигнал, равный или кратный разности входного сигнала АЦП 100 и выходного напряжения ЦАП1.
Для создания оптимальных с точки зрения быстродействия и точности условий работы усилителей и ключей УВХ и АЦП2 выходной диапазон УВХ уменьшают и смещают вниз. При этом выходной диапазон УВХ становится меньше напряжения источника Vref, и для работы АЦП2 необходим дополнительный источник опорного напряжения Vref2 меньшего, чем напряжения источника Vref. На практике коэффициент усиления УВХ выбирают равным 1 или 2.
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.
Преимуществом рассматриваемого известного АЦП являются уменьшенные относительно входного сигнала АЦП амплитуда и синфазный уровень сигналов на выходе УВХ и в АЦП2. Это дает возможность существенно повысить быстродействие АЦП, уменьшить его потребляемую мощность и погрешность преобразования. Однако возникает необходимость формирования дополнительного опорного напряжения Vref2. Для формирования напряжения Vref2 может быть, например, использован соответствующий отвод резистивного делителя 130 (далее - отвод) с буферным усилителем. Неизбежные ошибки формирования напряжения Vref2 устраняются калибровкой смещения нуля буферного усилителя с использованием ЦАП2к 180, управляемого блоком логики калибровки 190. В качестве источника эталонного напряжения для калибровки используются сегменты резистивного делителя 130. Результаты калибровки по всем сегментам усредняются. В описании прототипа приведено строгое доказательство того, что при таком способе калибровки рассогласование резисторов делителя 130 не создает ошибок калибровки.
R
R
В процессе калибровки блок логики калибровки 190 подает на ЦАП1 и ЦАП1к смежные коды так, что разностное входное напряжение УВХ равно напряжению на одном из сегментов резистивного делителя. В этом состоянии напряжение на входе АЦП2 соответствует его полной шкале или минус полной шкале в зависимости от полярности разностного напряжения на входах УВХ. При этом аналоговый вход АЦП 100 отключен от УВХ. Далее методом последовательного приближения определяют такой входной код ЦАП2к 180, при котором переключается первый 171 (или второй 172) компаратор калибровки. После усреднения по всем сегментам получают код C, который соответствует напряжению опорного источника Vref2, согласующего полную шкалу АЦП2 с величиной выходного сигнала УВХ, определяемого входным опорным напряжением Vref. Код C загружают в ЦАП2к после калибровки на время нормальной работы АЦП.
R
Si
Другим преимуществом известного АЦП является устранение ошибок, вызванных рассогласованием резисторов делителя. В процессе калибровки помимо кода калибровки C источника Vref2 вычисляют также аддитивные поправки сегментов C 292 (см. фиг.1), компенсирующие случайные отклонения номиналов резисторов. Этот вид калибровки особенно важен для АЦП с разрядностью более 12 бит.
В процессе калибровки АЦП2 обрабатывает в конвейере напряжение, близкое к его полной шкале (или минус полной шкале). В таком режиме точность калибровки существенно ограничена ошибками установления.
Калибровка источника Vref2 позволяет скомпенсировать следующие источники ошибок:
- смещение нуля буферного усилителя источника опорного напряжения Vref2;
- рассогласование резисторов делителя в точке опорного отвода для источника Vref2;
- ошибку коэффициента усиления УВХ;
- ошибку шкалы АЦП2.
Две последние ошибки вызваны рассогласованием конденсаторов соответственно в УВХ и во всех каскадах конвейера АЦП2. Если УВХ и АЦП2 осуществляют двойную выборку семплерами А и В, ошибки в разных семплерах отличаются. Способ калибровки прототипа не учитывает разных ошибок семплеров.
Таким образом, существенными недостатками описанного АЦП и способа его калибровки являются:
- ограничение точности калибровки ошибкой установления при обработке в конвейере АЦП2 напряжения, близкого к полной шкале;
- невозможность индивидуальной калибровки рассогласования конденсаторов в разных семплерах УВХ и АЦП2.
Целью настоящего изобретения является уменьшение погрешности преобразования АЦП за счет уменьшения ошибки установления в конвейере АЦП2 при калибровке и введения индивидуальной калибровки источника Vref2 для разных семплеров в АЦП с двойной выборкой.
Поставленная цель достигаются тем, что в N-разрядном АЦП с калибровкой, включающем М-разрядный параллельный АЦП1, вход которого подключен к входу АЦП, М-разрядный ЦАП1, вход которого управляется выходом АЦП1, УВХ, формирующее выходной сигнал, равный или кратный разности входного сигнала АЦП и выходного сигнала ЦАП1, ЦАП1к, формирующий входной сигнал УВХ при калибровке, причем АЦП1, ЦАП1 и ЦАП1к используют подключенный к источнику опорного напряжения Vref общий последовательный резистивный делитель, отводы которого, подключенные к ЦАП1 и ЦАП1к, определяют границы калибруемых сегментов, (N-М+1)-разрядный конвейерный АЦП2, подключенный к выходу УВХ и опорному напряжению Vref2, меньшему напряжения Vref, блок логики АЦП, формирующий из выходных кодов АЦП1 и АЦП2 выходной код АЦП, ЦАП2к, управляющий напряжением Vref2, блок логики калибровки, вход которого подключен к выходу АЦП2, а выход управляет ЦАП1, ЦАП1к и ЦАП2к, при калибровке первый каскад конвейера АЦП2 имеет единичный коэффициент передачи и формирует в конвейере близкую к нулю разность сигналов выхода УВХ и напряжения Vref2.
M
N-M
N-M
M
N-M
N-M
M
+Fi
+Di
-Fi
-Di
Fi
+Fi
-Fi
Di
+Di
-Di
Fi
R
Fi
Di
Si
Поставленная цель достигается способом калибровки, при котором для каждого i=1÷2 на вход ЦАП1 подают код i, а на вход ЦАП1к подают код i-1 и определяют С - коды ЦАП2к, соответствующие межкодовому переходу (2) АЦП2, и C - коды ЦАП2к, соответствующие межкодовому переходу (2-D) АЦП2, где D≥1, для каждого i=1÷2 на вход ЦАП1 подают код i-1, а на вход ЦАП1к код i и определяют C - коды ЦАП2к, соответствующие межкодовому переходу (2) АЦП2, и C - коды ЦАП2к, соответствующие межкодовому переходу (2+D) АЦП2, где D≥1, для каждого i=1÷2 вычисляют средние значения кодов C=(C+C)/2 и C=(C+C)/2, по кодам C вычисляют и загружают в ЦАП2к код C калибровки источника Vref2, по кодам C и C вычисляют коды C калибровки каждого сегмента, используемые во время нормальной работы как аддитивные поправки к выходному коду АЦП.
Поставленная цель достигается также тем, что в N-разрядном АЦП с калибровкой, включающем М-разрядный параллельный АЦП1, вход которого подключен к входу АЦП, М-разрядный ЦАП1, вход которого управляется выходом АЦП1, УВХ с двойной выборкой, выполняемой поочередно семплерами А и В, и формирующее выходной сигнал, равный или кратный разности входного сигнала АЦП и выходного сигнала ЦАП1, ЦАП1к, формирующий входной сигнал УВХ при калибровке, причем АЦП1, ЦАП1 и ЦАП1к используют подключенный к источнику опорного напряжения Vref общий последовательный резистивный делитель, отводы которого, подключенные к ЦАП1 и ЦАП1к, определяют границы калибруемых сегментов, (N-М+1)-разрядный конвейерный АЦП2 с двойной выборкой, выполняемой поочередно семплерами А и В в каждом каскаде конвейера, подключенный к выходу УВХ и опорному напряжению Vref2, меньшему напряжения Vref, блок логики АЦП, формирующий из выходных кодов АЦП1 и АЦП2 выходной код АЦП, ЦАП2к, управляющий напряжением Vref2, блок логики калибровки, вход которого подключен к выходу АЦП2, а выход управляет ЦАП1, ЦАП1к и ЦАП2к, при калибровке первый каскад конвейера АЦП2 имеет единичный коэффициент передачи и формирует в конвейере близкую к нулю разность сигналов выхода УВХ и напряжения Vref2, блок логики калибровки определяет коды калибровки источника Vref2 индивидуально для семплеров А и В, а источник Vref2, управляемый сдвоенным ЦАП2к с коммутатором, формирует при работе АЦП напряжение Vref2A или Vref2B, соответствующее семплеру А или В первого каскада конвейера.
M
N-M
N-M
M
N-M
N-M
M
+Fi
+Di
-Fi
-Di
Fi
+Fi
-Fi
Di
+Di
-Di
Fi
RA
RB
Fi
Di
Si
Поставленная цель достигается также способом калибровки, при котором для каждого i=1÷2 на вход ЦАП1 подают код i, а на вход ЦАП1к подают код i-1 и определяют C - коды ЦАП2к, соответствующие межкодовому переходу (2) АЦП2, и C - коды ЦАП2к, соответствующие межкодовому переходу (2-D) АЦП2, где D≥1, для каждого i=1÷2 на вход ЦАП1 подают код i-1, а на вход ЦАП1к код i и определяют C - коды ЦАП2к, соответствующие межкодовому переходу (2) АЦП2 и C - коды ЦАП2к, соответствующие межкодовому переходу (2+D) АЦП2, где D≥1, для каждого i=1÷2 вычисляют средние значения кодов C=(C+C)/2 и C=(C+C)/2, по кодам C вычисляют и загружают в сдвоенный ЦАП2к коды C и C калибровки источника Vref2, по кодам C и C вычисляют коды C калибровки каждого сегмента, используемые во время нормальной работы как аддитивные поправки к выходному коду АЦП.
В частном случае исполнения АЦП поставленная цель достигается способом, при котором коды калибровки источника Vref2 вычисляют по формулам
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>R</mi><mi>A</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>F</mi><mi>A</mi><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>,</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>R</mi><mi>B</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>F</mi><mi>B</mi><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>г</mi><mi>д</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>÷</mo><msup><mn>2</mn><mi>M</mi></msup><mo>,</mo></mrow>
FAi
FBi
Fi
a C, C есть коды C, определенные при калибровке через семплеры А и В соответственно, код калибровки каждого сегмента вычисляют по формуле
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>S</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>i</mi></munderover><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>R</mi><mi>A</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>R</mi><mi>B</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>F</mi><mi>A</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>F</mi><mi>B</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>Q</mi><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></mstyle></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>г</mi><mi>д</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>÷</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mn>2</mn><mi>M</mi></msup><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>
а вес Q одного бита АЦП2, выраженный в битах ЦАП2к, вычисляют по формуле
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mn>2</mn><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mi>M</mi></mrow></msup></mrow><mrow><msup><mn>2</mn><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mi>M</mi></mrow></msup><mo>−</mo><mi>D</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>D</mi></mrow><mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>D</mi><mi>A</mi><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>+</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>D</mi><mi>B</mi><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>R</mi><mi>A</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>R</mi><mi>B</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>г</mi><mi>д</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>÷</mo><msup><mn>2</mn><mi>M</mi></msup><mo>,</mo></mrow>
DAi
DBi
Di
a C, C есть коды C, определенные при калибровке через семплеры А и В соответственно, или по приближенной формуле
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>D</mi></mrow><mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>D</mi><mi>A</mi><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>+</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>D</mi><mi>B</mi><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>R</mi><mi>A</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>R</mi><mi>B</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
Поставленная цель в еще большей степени достигается тем, что N-разрядном АЦП с калибровкой, включающем М-разрядный параллельный АЦП1, вход которого подключен к входу АЦП, М-разрядный ЦАП1, вход которого управляется выходом АЦП1, УВХ с двойной выборкой, выполняемой поочередно семплерами А и В, и формирующее выходной сигнал, равный или кратный разности входного сигнала АЦП и выходного сигнала ЦАП1, ЦАП1к, формирующий входной сигнал УВХ при калибровке, причем АЦП1, ЦАП1 и ЦАП1к используют подключенный к источнику опорного напряжения Vref общий последовательный резистивный делитель, отводы которого, подключенные к ЦАП1 и ЦАП1к, определяют границы калибруемых сегментов, (N-М+1)-разрядный конвейерный АЦП2 с двойной выборкой, выполняемой поочередно семплерами А и В в каждом каскаде конвейера, подключенный к выходу УВХ и опорному напряжению Vref2, меньшему напряжения Vref, блок логики АЦП, формирующий из выходных кодов АЦП1 и АЦП2 выходной код АЦП, ЦАП2к, управляющий напряжением Vref2, блок логики калибровки, вход которого подключен к выходу АЦП2, а выход управляет ЦАП1, ЦАП1к и ЦАП2к, при калибровке первый каскад конвейера АЦП2 имеет единичный коэффициент передачи и формирует в конвейере близкую к нулю разность сигналов выхода УВХ и напряжения Vref2, блок логики калибровки определяет коды калибровки источника Vref2 индивидуально для семплеров А и В, а источник Vref2 и ЦАП2к сдвоенные и формируют при работе АЦП напряжения Vref2A и Vref2B соответственно для семплеров А и В всех каскадов конвейера.
M
N-M
N-M
M
N-M
N-M
M
+Fi
+Di
-Fi
-Di
Fi
+Fi
-Fi
Di
+Di
-Di
Fi
RA
RB
Fi
Di
Si
Поставленная цель достигается также способом калибровки, при котором для каждого i=1÷2 на вход ЦАП1 подают код i, а на вход ЦАП1к подают код i-1 и определяют С - коды ЦАП2к, соответствующие межкодовому переходу (2) АЦП2, и C - коды ЦАП2к, соответствующие межкодовому переходу (2-D) АЦП2, где D≥1, для каждого i=1÷2 на вход ЦАП1 подают код i-1, а на вход ЦАП1к код i и определяют C - коды ЦАП2к, соответствующие межкодовому переходу (2) АЦП2, и C - коды ЦАП2к, соответствующие межкодовому переходу (2+D) АЦП2, где D≥1, для каждого i=1÷2 вычисляют средние значения кодов C=(C+C)/2 и C=(C+C)/2, по кодам C вычисляют и загружают в сдвоенный ЦАП2к коды C и C калибровки сдвоенного источника Vref2, по кодам C и C вычисляют коды C калибровки каждого сегмента, используемые во время нормальной работы как аддитивные поправки к выходному коду АЦП.
В частном случае исполнения АЦП поставленная цель достигается способом, при котором коды калибровки источника Vref2 вычисляют по формулам
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>R</mi><mi>A</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>F</mi><mi>A</mi><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>,</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>R</mi><mi>B</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>F</mi><mi>B</mi><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>г</mi><mi>д</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>÷</mo><msup><mn>2</mn><mi>M</mi></msup><mo>,</mo></mrow>
FAi
FBi
Fi
а C, C есть коды C, определенные при калибровке через семплеры А и В соответственно, код калибровки каждого сегмента вычисляют по формуле
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>S</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>i</mi></munderover><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>R</mi><mi>A</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>R</mi><mi>B</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>F</mi><mi>A</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>F</mi><mi>B</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>Q</mi><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></mstyle></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>г</mi><mi>д</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>÷</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mn>2</mn><mi>M</mi></msup><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>
а вес Q одного бита АЦП2, выраженный в битах ЦАП2к, вычисляют по формуле
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mn>2</mn><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mi>M</mi></mrow></msup></mrow><mrow><msup><mn>2</mn><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mi>M</mi></mrow></msup><mo>−</mo><mi>D</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>D</mi></mrow><mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>D</mi><mi>A</mi><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>+</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>D</mi><mi>B</mi><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>R</mi><mi>A</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>R</mi><mi>B</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>г</mi><mi>д</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>÷</mo><msup><mn>2</mn><mi>M</mi></msup><mo>,</mo></mrow>
DAi
DBi
Di
а C, C есть коды C, определенные при калибровке через семплеры А и В соответственно, или по приближенной формуле
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>D</mi></mrow><mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>D</mi><mi>A</mi><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>+</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>D</mi><mi>B</mi><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>R</mi><mi>A</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>R</mi><mi>B</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
Сущность изобретения поясняется чертежами:
- на Фиг.1 представлена структурная схема наиболее близкого заявляемому известного АЦП (прототип);
- на Фиг.2 представлена структурная схема заявляемого АЦП по п.1 Формулы;
- на Фиг.3 представлена структурная схема первого каскада АЦП2 по пп.1 и 3 Формулы;
- на Фиг.4 представлена структурная схема заявляемого АЦП по п.3 Формулы;
- на Фиг.5 представлена структурная схема заявляемого АЦП по п.6 Формулы;
- на Фиг.6 представлена структурная схема первого каскада АЦП2 по п.6 Формулы;
Ниже приведено описание устройства и работы заявляемого АЦП.
M
На Фиг.2 представлена структурная схема заявляемого АЦП по п.1 Формулы. Входной сигнал 100 поступает на входы АЦП1 110 и УВХ 140. АЦП1, подключенный к источнику опорного напряжения Vref 135, 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+1 опорных уровней делителя 130, 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.
ref
ref
M-2
Выходной диапазон УВХ и, следовательно, диапазон сигналов АЦП2 выбирают меньшим диапазона входного сигнала АЦП. Например, при М=4, усилении УВХ, равном 2, и с учетом двукратного запаса на коррекцию ошибок компараторов АЦП1 выходной диапазон УВХ равен V/2 или V/4. Уменьшенный диапазон сигналов УВХ и АЦП2 позволяет уменьшить их ошибки, а также снизить потребляемую мощность и повысить быстродействие за счет снижения требований к скорости и коэффициенту усиления усилителей. Как следствие, для АЦП2 необходим источник 152 опорного напряжения Vref2, равного выходному диапазону УВХ. В качестве источника Vref2 может быть, например, использован отвод резистивного делителя 130 с буферным усилителем. При формировании напряжения Vref2 возникают неизбежные ошибки, связанные, в частности, с рассогласованием резисторов делителя и смещением нуля буфера Vref2. Рассогласование резисторов делителя вызывает также ошибки сегментов, требующие калибровки.
На Фиг.3 представлена структурная схема первого каскада АЦП2, представляющего собой дифференциальный Redundant Signed Digit (RSD) каскад с двойной выборкой, включающий два дифференциальных семплера на переключаемых конденсаторах. Семплер А 310 включает два плеча 312 и 314. Семплер В 320 включает два 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. Сигналы Vrp 340 и Vrn 342 образуют дифференциальный опорный сигнал. Сигналы Vop 350 и Von 352 образуют дифференциальный выходной сигнал. Каскад имеет общий для двух семплеров дифференциальный усилитель 360. Ключ 376 подключает левую по схеме обкладку конденсатора С1р 371 к опорному напряжению. Известная схема RSD каскада имеет 3 ключа, подключающие левую обкладку конденсатора С1р 371 к опорному напряжению, нулевому потенциалу или минус опорному напряжению в зависимости от величины входного сигнала. В этой части предлагаемое решение не отличается от известного, и для упрощения на фиг.3 изображен только один ключ 376 вместо упомянутых трех.
В соответствии с п.1 Формулы при калибровке первый каскад конвейера АЦП2 имеет единичный коэффициент передачи. Это достигается введением дополнительного ключа 373 в первый каскад конвейера АЦП2 при калибровке. Этот ключ отсутствует в прототипе и во всех каскадах заявляемого АЦП, кроме первого.
ON
I
R
OC
I
R
I
R
OC
На Фиг.3 ключи 374, 375, 378 находятся в проводящем состоянии, ключи 376, 377, 379 находятся в непроводящем состоянии, а весь семплер А - в состоянии выборки. Упомянутые ключи семплера В находятся в противоположном состоянии, а сам семплер В - в состоянии хранения. При калибровке в состоянии выборки вместо ключа 374 переводится в проводящее состояние ключ 373. Сконфигурированный таким образом каскад имеет передаточную функцию при нормальной работе V=2·V-V, а при калибровке V=1·V-V. При калибровке на вход каскада подается напряжение одного сегмента делителя, то есть напряжение, близкое к Vref2: V≈V. Следовательно, V≈0, и близкое к нулю напряжение обрабатывается в последующих каскадах АЦП2. Очевидно, что в этих условиях ошибка установления при калибровке минимальна даже на предельной частоте преобразования, поскольку не требуется время для установления сигнала с конечной скоростью роста до уровня опорного напряжения. Таким образом обеспечивается положительный эффект в заявляемом АЦП.
M
N-M
N-M
M
N-M
N-M
M
+Fi
+Di
-Fi
-Di
Fi
+Fi
-Fi
Di
+Di
-Di
Fi
R
Fi
Di
Si
В соответствии с п.2 Формулы калибровка проводится следующим образом. Для каждого i=1÷2 на вход ЦАП1 подают код i, а на вход ЦАП1к подают код i-1 и определяют C - коды ЦАП2к, соответствующие межкодовому переходу (2) АЦП2, и C - коды ЦАП2к, соответствующие межкодовому переходу (2-D) АЦП2, где D≥1. Важно, что при этом конвейер АЦП2 обрабатывает близкий к нулю сигнал, и компараторы калибровки 171 и 172 (фиг.1), используемые в прототипе, более не нужны. Далее для каждого i=1÷2 на вход ЦАП1 подают код i-1, а на вход ЦАП1к код i и определяют C - коды ЦАП2к, соответствующие межкодовому переходу (2) АЦП2, и C - коды ЦАП2к, соответствующие межкодовому переходу (2+D) АЦП2, где D≥1, для каждого i=1÷2 вычисляют средние значения кодов C=(C+C)/2 и C=(C+C)/2. По кодам C вычисляют и загружают в ЦАП2к код C калибровки источника Vref2, по кодам C и C вычисляют коды C калибровки сегментов, используемые во время нормальной работы как аддитивные поправки к выходному коду АЦП.
R
Код C калибровки источника Vref2 вычисляют по формуле:
<mrow><msub><mi>C</mi><mi>R</mi></msub><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>F</mi><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>г</mi><mi>д</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>÷</mo><msup><mn>2</mn><mi>M</mi></msup><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Коды калибровки сегментов вычисляют по формуле
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>S</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>i</mi></munderover><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>C</mi><mi>R</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>F</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>Q</mi></mrow></mstyle></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>г</mi><mi>д</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>÷</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mn>2</mn><mi>M</mi></msup><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
а вес Q одного бита АЦП2, выраженный в битах ЦАП2к, вычисляют по формуле
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mn>2</mn><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mi>M</mi></mrow></msup></mrow><mrow><msup><mn>2</mn><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mi>M</mi></mrow></msup><mo>−</mo><mi>D</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>D</mi></mrow><mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>D</mi><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mi>R</mi></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>г</mi><mi>д</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>÷</mo><msup><mn>2</mn><mi>M</mi></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
или по приближенной формуле
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>D</mi><mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>D</mi><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mi>R</mi></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Вывод выражений (1÷4) приведен в описании прототипа.
Fi
Di
Fi
Di
Способ калибровки, предложенный в п.2 Формулы, предполагает двукратное определение кодов C и C для каждого сегмента при разной полярности сигналов на выходе УВХ с последующим усреднением. Однако возможно однократное определение кодов C и C, как в п.4 Формулы прототипа. При этом результаты калибровки становятся зависимыми от смещения нуля АЦП, и для устранения этой зависимости требуется предварительная калибровка смещения нуля. Такой вариант калибровки рассмотрен в описании прототипа.
R
На Фиг.4 представлена структурная схема заявляемого АЦП по п.3 Формулы, дополнительно включающая коммутатор 482 и использующая сдвоенный ЦАП2к 480. Эта схема предлагается для АЦП с двойной выборкой. Неодинаковое рассогласование конденсаторов в разных семплерах А и В УВХ и каскадах АЦП2 приводит к разным ошибкам шкалы АЦП2 при преобразовании через семплеры А и В. Эти ошибки влияют на определяемый при калибровке код C, а АЦП и способ его калибровки по пп.1 и 2 Формулы не позволяют учесть разные ошибки в семплерах А и В. В АЦП по п.3 Формулы (фиг.4) сдвоенный ЦАП2к 480 формирует индивидуальные сигналы калибровки для семплеров А и В, а коммутатор 482 подает на источник Vref2 сигнал калибровки, соответствующий семплеру первого каскада АЦП2, находящемуся в режиме хранения. Важно отметить, что при прохождении по конвейеру АЦП2 происходит чередование семплеров А и В, находящихся в режиме хранения. Следовательно, только нечетные семплеры будут иметь точное значение Vref2. Тем не менее, в связи с тем, что вклад ошибки каждого следующего каскада АЦП2 в общую ошибку АЦП уменьшается в 2 раза, предлагаемое в п.3 Формулы решение позволяет снизить ошибку рассогласования семплеров минимум в 2 раза.
Следует отметить, что для повышения эффективности калибровки и уменьшения ошибок калибровки, вызванных процессом установления выходных напряжений сдвоенного ЦАП2к на высокой частоте, целесообразно выполнять ЦАП2к с токовыми выходами и использовать в качестве коммутатора схему переключения токовых сигналов калибровки, подаваемых на буферный усилитель Vref2 и изменяющих его смещение нуля.
Fi
Di
FAi
FBi
DAi
DBi
FAi
FBi
RA
RB
FAi
FBi
DAi
DBi
Si
Для заявляемого по п.3 Формулы АЦП предлагается модифицированный способ калибровки. В соответствии с п.4 Формулы аналогично кодам C и C определяют коды C, C, C, C при калибровке через семплеры А и В соответственно. По кодам C, C вычисляют и загружают в сдвоенный ЦАП2к коды C и C калибровки источника Vref2, по кодам C, C, C, C вычисляют коды Cкалибровки сегментов, используемые во время нормальной работы как аддитивные поправки к выходному коду АЦП.
RA
RB
В соответствии с п.4 Формулы коды C и C вычисляют по формулам:
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>R</mi><mi>A</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>F</mi><mi>A</mi><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>,</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>R</mi><mi>B</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>F</mi><mi>B</mi><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>г</mi><mi>д</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>÷</mo><msup><mn>2</mn><mi>M</mi></msup><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Коды калибровки сегментов вычисляют по формуле:
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>S</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>i</mi></munderover><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>R</mi><mi>A</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>R</mi><mi>B</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>F</mi><mi>A</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>F</mi><mi>B</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>Q</mi><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></mstyle></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>г</mi><mi>д</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>÷</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mn>2</mn><mi>M</mi></msup><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>6</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
а вес Q одного бита АЦП2, выраженный в битах ЦАП2к, вычисляют по формуле:
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mn>2</mn><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mi>M</mi></mrow></msup></mrow><mrow><msup><mn>2</mn><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mi>M</mi></mrow></msup><mo>−</mo><mi>D</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>D</mi></mrow><mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>D</mi><mi>A</mi><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>+</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>D</mi><mi>B</mi><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>R</mi><mi>A</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>R</mi><mi>B</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>г</mi><mi>д</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>÷</mo><msup><mn>2</mn><mi>M</mi></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>7</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
или по приближенной формуле:
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>D</mi></mrow><mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>D</mi><mi>A</mi><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>+</mo><mover accent="true"><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>D</mi><mi>B</mi><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>R</mi><mi>A</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>R</mi><mi>B</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>8</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
RA
RB
Si
Иными словами, каждый из кодов калибровки C и C в выражении (5) зависит от рассогласования конденсаторов только в своих семплерах - соответственно А и В, в то время как коды калибровки сегментов C и вес Q одного бита АЦП2 в выражениях (6, 7, 8) зависят от обоих семплеров. Эти выражения аналогичны выражениям (2, 3, 4), но предусматривают усреднение по семплерам.
На Фиг.5 представлена структурная схема заявляемого АЦП по п.6 Формулы, использующая сдвоенные ЦАП2к 480 и источник Vref2 552. Такая схема позволяет подать точные значения Vref2 на каждый из семплеров А и В во всех каскадах АЦП2 и, следовательно, полностью откалибровать разные ошибки шкалы АЦП2 для семплеров А и В. На Фиг.6 представлена структурная схема первого каскада АЦП2, на которой отражены детали подключения сдвоенного источника Vref2 к разным семплерам. К семплеру А 310 подключены положительное плечо Vrap 344 и отрицательное плечо Vran 345 первого выхода сдвоенного источника Vref2. К семплеру В 320 подключены положительное плечо Vrbp 346 и отрицательное плечо Vrbn 347 второго выхода сдвоенного источника Vref2.
Способы калибровки для АЦП, заявляемых по пп.3 и 6 Формулы, аналогичны, поэтому отдельное описание способа калибровки по пп.7 и 8 не требуется.
Верификация заявляемых АЦП и способов их калибровки проведена путем сопоставления результатов моделирования известного по прототипу и заявляемых АЦП.
Так, по результатам моделирования схемы 16-разрядного АЦП по технологии 180 нм среднеквадратичная ошибка установления при калибровке на частоте 125 МГц составляет 1.0 единиц младшего разряда (ЕМР) для прототипа и 0.2 ЕМР для предлагаемого в п.1 Формулы решения.
Для оценки эффективности посемплерной калибровки АЦП по пп.3 и 6 Формулы и соответствующих им способов калибровки проведено статистическое моделирование 16-разрядных АЦП с использованием данных изготовителя по разбросу резисторов делителя АЦП1 и ЦАП1 и конденсаторов УВХ и RSD каскадов для 180 нм КМОП процесса. Объем выборки составляет 1000 АЦП.
Результаты моделирования приведены ниже в таблице:
Характеристика АЦП
АЦП по прототипу
Заявляемые АЦП
по п.3 Формулы
по п.6 Формулы
Среднее значение нелинейности, ЕМР
1.68
1.40
1.21
Среднее значение дифференциальной нелинейности, ЕМР
1.46
0.97
0.79
% АЦП с нелинейностью менее 2 ЕМР и дифференциальной нелинейностью менее 1.2 ЕМР
21
55
62
Таким образом, заявляемые по пп.3 и 6 Формулы АЦП со способами калибровки по пп.4, 5 и 7, 8 Формулы позволяют реализовывать АЦП с разрядностью 16 бит. Электрическое моделирование АЦП по п.3 Формулы, на 180 нм КМОП технологии показало достижимость точностных параметров, соответствующих 14-разрядным АЦП, на частоте выборки 125 МГц.
Таким образом, заявляемые АЦП и способ его калибровки обладают новизной, могут быть реализованы и позволяют существенно повысить точность калибровки АЦП, обеспечивая возможность реализации быстродействующих АЦП с разрядностью более 12.