Digital Background Calibration of Pipelined ADCs

angelweishan · 发表于 2010-7-19 15:57:23

马上注册，结交更多好友，享用更多功能，让你轻松玩转社区。

您需要登录才可以下载或查看，没有账号？注册

×

本帖最后由 angelweishan 于 2010-7-19 17:16 编辑

Digital Background Calibration of Pipelined ADCs
研究生: 范振麟
Fan, Jen-Lin
指導教授: 吳介琮
Wu, Jieh-Tsorng

1 Introduction 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 Overview of Pipelined ADC 7
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Quantization Feedforward Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 A 2.5-bit Pipeline Stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4 Opamp Gain and Capacitor Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.5 Opamp Speed Requirement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.6 Thermal Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.6.1 Sampling Thermal Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.6.2 Thermal Noise of Opamp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.6.3 Thermal Noise of Rs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.6.4 Thermal Noise of Rf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.6.5 Total Noise of Pipelined ADC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3 Gain/DAC Calibration 29
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2 Gain and DAC Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3 Digital Foreground Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.4 Correlation-Based Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.5 Prior Arts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.5.1 Randomization of sub-ADC and sub-DAC . . . . . . . . . . . . . 39
3.5.2 Capacitor-Swapping Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.5.3 Calibration with Reference ADC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.5.4 Split-Capacitor Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.6 Proposed Split-Capacitor Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.7 Principle of Gain/DAC Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.8 Input-dependent q Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.9 Correlation-Based Calibration Data Extraction . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.10 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4 Stage Nonlinearity Calibration 57
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2 Nonlinearity Modeling and Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.3 Prior Arts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.3.1 Statistic-based Distance Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.3.2 Harmonic Distortion Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.4 Definition of Linear System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.5 Split-Capacitor SC Stage with Dual q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.6 Calibration Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.7 Harmonic Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.8 Harmonic Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.9 Multiple Harmonics Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.10 Calibration under z-ADC O set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.11 Cs Partition Consideration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.12 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

5 A 12-Bit 80 MS/s Pipelined ADC 79
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.2 Pipelined ADC Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.3 Circuit Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.3.1 Bootstrapped Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.3.2 Operational Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.3.3 Switched-Capacitor Comparator . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.4 Measurement Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

6 Split-Channel ADC 99
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.2 Prior Arts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.2.1 Two-Channel ADCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.2.2 Split-ADC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.2.3 Prediction Using a FIR Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.3 Split-Channel Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.3.1 Split-Channel ADC Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.3.2 ADC Output Encoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.3.3 Calibration Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.3.4 Calibration Noise Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.4 O set Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.5 Gain Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.6 Correlation Data Extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.7 ADC Outputs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.8 A 15-Bit ADC Design Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.9 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

7 Conclusions and Future Works 119
7.1 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.2 Recommendations for Future Investigation . . . . . . . . . . . . . . . . . 120