阅读说明：本技术 一种基于任务调度的时间交织adc失配优化方法 (A kind of time-interleaved ADC mismatch optimization method of task based access control scheduling ) 是由 李靖 罗建 胡宇峰 宁宁 于奇 于 2019-09-02 设计创作，主要内容包括：一种基于任务调度的时间交织ADC失配优化方法,通过减小当前量化周期对应通道的量化时间或增加当前量化周期的时间长度,使得在当前量化周期内对应通道提前完成量化进入空闲状态,标记所有完成量化的通道为空闲通道,再采用任务调度算法在下一个量化周期来临时,从所有空闲通道中随机选择一个通道进行采样和量化,从而实现通道随机化以优化通道间失配。本发明将各通道ADC剩余量化时间充分利用起来,在不额外增加辅助通道的情况下,可实现随机通道的目的,有利于提高时间交织ADC的无杂散动态范围,也有利于提高时间交织ADC的速度和各条件下的适应性。(A kind of time-interleaved ADC mismatch optimization method of task based access control scheduling, by reducing the quantization time of current quantisation period corresponding channel or increasing the time span in current quantisation period, so that corresponding channel fulfils quantization ahead of schedule into idle state within the current quantisation period, marking all channels for completing quantization is idle channel, again using task scheduling algorithm in next quantization period come interim, it randomly chooses a channel from all idle channels to be sampled and quantified, to realize channel randomization to optimize interchannel mismatch.The present invention fully utilizes each channel ADC quantized residual time, in the case where additionally not increasing accessory channel, the purpose that random channel can be achieved, is conducive to the spurious-free dynamic range for improving time-interleaved ADC, be also beneficial to improve time-interleaved ADC speed and it is each under the conditions of adaptability.)

一种基于任务调度的时间交织ADC失配优化方法

技术领域

本发明属于模拟集成电路技术领域，特别涉及一种基于任务调度的时间交织ADC失配优化方法。

背景技术

在虚拟与现实世界的接口电路中，模拟数字转换器(ADC)是不可缺少的电路模块，快速准确地数字化模拟信息尤为重要。因此，高速、高精度的ADC成为了现在信息处理的关键。为了提高传统的模数转换器的工作速度，一种将多个模数转换器并联工作的结构被提出，即时间交织模数转换器(Time-interleaved ADC，TI-ADC)，这种结构的模数转换器使得每个子模数转换器的工作频率可以很低，在时间交织的工作状态下可以将整体的速度提升。

一个包含M通道的时间交织模数转换器的结构如图1所示，M为正整数，时间交织模数转换器的单个通道包含一个采样网络和一个子ADC量化网络，单通道ADC的工作频率为fs/M，通过将每个通道采样开关的采样时间交错开来，使得整个ADC系统在时间交织的工作状态下工作频率增大为fs(工作周期Ts＝1/fs)，最后将每个通道的数据在fs的采样频率下采样、存储及输出，从而提高时间交织模数转换器的速度。理论上，时间交织模数转换器的通道数越多，其工作速度可以越快。但是，各通道子模数转换器间存在带宽失配、采样时间失配、增益失配和失调失配等非理想因素，严重影响了整个模数转换器的动态性能。特别是对于要求高无杂散动态范围(SFDR)的场合，如雷达运用，通道间的失配限制了TI-ADC的运用。

现有方案中提出很多技术来解决TI-ADC中的各种失配，包括校正技术和优化技术。其中校正技术通过直接减小失配量来减小其带来的影响，比如时间失配校正技术等，而优化技术则是通过技术手段使得失配带来的影响减弱，这种做法没有减小失配量，如随机通道算法。对于一个高速、高线性度要求的TI-ADC来说，通道数较多，仅靠校正技术要想达到要求，是很困难的，这是因为环境因素的影响，校正残留必然存在。为了进一步减小残留的失配，需要优化技术配合校正技术一起使用。传统的随机通道算法，要求额外的通道作为随机通道的选择，这增加了功耗以及面积。

发明内容

针对时间交织ADC中存在的失配问题，以及传统解决时间交织ADC失配问题的方法中存在的残留失配和增加额外通道等不足之处，本发明提出一种基于任务调度的时间交织ADC失配优化方法，通过减小当前量化周期对应通道的量化时间或增加当前量化周期的时间长度，使得在当前量化周期内对应通道提前完成量化进入空闲状态，再采用任务调度算法实现通道随机化以优化通道间失配的技术。

本发明的技术方案为：

一种基于任务调度的时间交织ADC失配优化方法，所述时间交织ADC包括M个通道，M为正整数，在所述时间交织ADC的一个量化周期内有且仅有一个通道进行采样和量化；

所述时间交织ADC失配优化方法包括如下步骤：

步骤一、在所述时间交织ADC的每一个量化周期内，通过减小当前量化周期对应通道的量化时间或增加当前量化周期的时间长度，使得在当前量化周期内对应通道提前完成量化；

步骤二、标记所有完成量化的通道为空闲通道；

步骤三、当所述时间交织ADC下一个量化周期来临时，从所有空闲通道中随机选择一个通道进行采样和量化，返回步骤一。

具体的，所述步骤一中减小当前量化周期对应通道的量化时间的具体方法为：通过预测算法判断当前量化周期内对应通道是否预测正确，预测正确表示当前量化周期内的对应通道提前完成量化。

具体的，所述预测算法的具体方法为：设置电压窗口，当所述时间交织ADC中比较器的输入电压小于电压窗口时表示预测正确。

具体的，所述步骤一中增加当前量化周期的时间长度的具体方法为：保持单通道的工作速度并降低所述时间交织ADC的采样率。

具体的，在每一个量化周期内标记的空闲通道进入空闲通道池，并在下一个量化周期来临时利用随机数发生器从所述空闲通道池中随机选择一个通道进行采样和量化。

本发明的有益效果为：本发明通过使量化周期内的对应通道提前完成量化，并在下一量化周期开始时从所有完成量化的通道中随机选择一个通道进行采样量化，实现通道随机化以优化通道间失配，充分利用各通道的剩余量化时间，不额外增加辅助通道，降低了功耗和面积，提高了时间交织ADC的无杂散动态范围，另外还提高了时间交织ADC的速度和各条件下的适应性。

附图说明

图1为M通道的时间交织ADC原理及各种失配示意图。

图2为实施例中在7通道TI-SAR ADC中使用本发明提出的一种基于任务调度的时间交织ADC失配优化方法的示意图。

图3为实施例中采用预测算法前后DAC输出电压示意图。

图4为实施例中在TI-SAR ADC中采用本发明提出的一种基于任务调度的时间交织ADC失配优化方法的实现示意图。

图5为使用本发明提出的一种基于任务调度的时间交织ADC失配优化方法后各通道的工作状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步说明本发明。

在时间交织ADC中，通常可以通过减小当前量化周期对应通道的量化时间或增加当前量化周期的时间长度，使得在当前量化周期内对应通道提前完成量化，此时在当前量化周期的剩余时间内对应通道都是处于等待状态，浪费了大量时间。本发明基于任务调度算法，将同一时刻已经完成量化的所有通道分到一个等待采样的组里，在下一刻采样时从这些通道中随机选择一个通道用于采样，则可以实现随机。在单通道提前完成量化后，将其放在空闲通道池中供任务调度算法使用，这并不仅意味着在任务调度算法的作用下使通道随机化来优化通道间失配，还包含用于提高ADC量化速度以及增加时间交织ADC在不同环境条件下的适应性。

减小当前量化周期对应通道的量化时间有多种方法，本实施例中以预测算法为例进行说明。将预测算法与任务调度结合起来能够实现ADC量化过程中破碎时间的合理利用。加入预测算法后，当某些通道的预测正确时，该通道会提前完成量化，随后将同一时刻已经完成量化的所有通道分到一个等待采样的组里，在下一刻采样时从这些通道中随机选择一个通道用于采样。

以将预测算法用于逐次逼近ADC(SAR ADC)中为例，任务调度算法对于带预测的时间交织SAR ADC非常有利。特别是针对带宽失配是非常有效的，因为带宽失配校正困难。该算法以部分数字电路复杂度换取了优异的线性度性能。影响单通道SAR ADC量化速度的因素，包括工艺角、电源电压以及温度，有加预测情况下，还包含信号的类型。任务调度算法有利于时间交织SAR ADC适应各种条件的高速运用。

下面以时间交织SAR ADC为例，验证优化算法的可行性。如图2所示，本实施例中在7通道TI-SAR ADC中使用本发明提出的一种基于任务调度的时间交织ADC失配优化方法。预测算法使得，各通道提前完成量化进入随机通道池。下次量化从随机通道池中随机选择一个通道进行采样量化，从而实现了随机化。通道的随机化可以减小通道间失配对结果的影响，从而提高ADC的无杂散动态范围。从另外一个方面看，该方法可以提高采样率，因为每个通道的剩余时间被充分利用起来了。

预测算法通过判断信号是否满足预测标准实现预测，比如以电压窗口做判断标准，当输入进入该窗口时，可以认为高位结果已经知道，不再需要量化，选用基于电压窗口的预测方式的具体方式为，比如取32个最低有效位LSB作为电压窗口，当比较器输入电压小于32个LSB，单通道SAR ADC将直接跳过后面的量化过程，并根据该位的量化结果，直接取反作为后面未量化的几位的结果。如图3所示，由于预测算法的采用，量化周期从7周期降低到3周期。

如图4所示是在8通道时间交织SAR ADC中采用预测算法和任务调度实现通道间失配优化的示意图，其中单通道精度12位，预测窗口减小到1个LSB。本实施例的具体工作过程如下：预测电路通过检测各通道的预测检测信号，并判断其是否满足预测标准，如果满足预测标准则给出预测正确信号，通知该通道ADC完成量化，同时给出该通道的空闲标志信号，该通道被放在空闲通道池中。在任务调度时，根据空闲通道池中的通道，由随机数发生器随机选择空闲通道池中的一个通道作为下次采样的采样通道，并由对应时钟控制信号控制多相时钟产生电路产生选中的下个采样通道的采样时钟。自此，一次任务调度过程完成。

如图5所示是截取的部分在量化进程中空闲通道池的通道状态。图5中纵轴对应各通道的编号，各平台曲线的长度代表对应编号的通道在空闲通道池里所存在的时间，图中下周期通道对应的曲线表示下次采样时在空闲通道池中随机选取的通道。直观看来，通道的工作顺序是随机的。因基于电压窗口的预测技术与输入信号相关，空闲通道也与输入信号相关的，对失配而言，这本身就是一种随机，加上在空闲通道中的随机选择，使得通道随机性更强。

从任务调度原理可知，时间交织SAR ADC通道数越多，空闲通道池中的通道数越多的概率越大。同时，因输入信号频率以及信号类型会影响量化周期，当量化消耗的周期越少时，在之后空闲通道池的时间越长。空闲通道池数量越大，意味着有更多的空闲通道，使得通道的随机性越大。

综上，本实施例中基于预测算法以减小单通道ADC量化时间，结合任务调度算法利用减小的量化时间实现通道的随机化以实现失配的优化。该技术不需额外的通道，仅在单通道ADC量化完成后，将其放在一个空闲通道池里，下次量化时，由任务调度模块随机从池里随机选择一个通道作为采样通道，以此实现通道的随机和对失配的优化。

值得说明的是，除了利用预测算法减小当前量化周期对应通道的量化时间，还可以通过增加当前量化周期的时间长度来使得在当前量化周期内对应通道提前完成量化，比如通过保持单通道的工作速度并降低所述时间交织ADC的采样率实现增加当前量化周期的时间长度。因此只要能够使得时间交织ADC各通道提前完成量化，即在下次量化前有一定的空闲时间的方式，比如其他变相的减小量化时间、或者增加单周期时间，使得一个周期有剩余时间的方式，都在本发明的保护范围内。

综上所述，本发明提出一种通过减小当前量化周期对应通道的量化时间或增加当前量化周期的时间长度，使其提前完成量化进入空闲状态，再采用任务调度算法实现通道随机化以优化通道间失配的技术，在不增加通道的情况下，可实现随机通道的目的。本发明将通道的周期工作顺序改为伪随机的方式，使得失配对ADC的影响也随机化，失配贡献的杂散能量被平摊在噪底上，有利于提高SFDR。

虽然本发明的一种基于任务调度实现时间交织ADC失配优化技术已经以实例的形式公开如上，然而并非用以限定本发明，如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。