在 ISSCC 大会展示全新电路开发技术利用世界首创的多速率 LMS 算法实现 Delta-Sigma A/D 转换器的连续时间数字校准
 

2020 年 2 月 19 日,日本东京讯 - 全球领先的半导体解决方案供应商瑞萨电子株式会社(TSE:6723)和日立有限公司(TSE:6510)今日宣布一项技术合作,以实现 delta-sigma(ΔΣ)调制器和模数(A/D)转换器电路的连续时间数字校准。

 

这一全新技术旨在提升ΔΣ A/D 转换器的性能,使其在汽车半导体器件所需的苛刻条件下保持稳定的性能。该新技术包括(1)通过使用最小均方(LMS)算法来测量并校准传递函数,以获得精度的提升。(2)世界首创的多速率 LMS 搜索算法,降低了系数搜索电路和 FIR 数字滤波器的阶数及工作频率,从而降低功耗;同时采用 28nm 工艺,实现了采用高速时序积分器的多级ΔΣ A/D 转换器。

 

以前,数字校准电路需要在 A/D 转换器的过采样频率下工作,但是新电路将工作频率降低到先前频率的四分之一。由此,当以 480MHz 的过采样频率工作时,可以实现信号带宽为 15 MHz 且动态范围为 74.3 dB 的高速、高精度操作。通过将数字校准电路的工作频率降低到 120MHz,仍可实现低功耗运行——功耗仅为 37mW(模拟:19mW,数字:18mW)。此外,该新技术已被证实可在较宽的温度范围内带来稳定性能,证明其具备高强健性并能够在恶劣的条件下稳定运行(注 1)。

 

瑞萨电子于 2 月 18 日在 2020 年国际固态电路大会(ISSCC)上展示了这一与日立公司协作的成果。

 

近年来,随着先进的驾驶员辅助系统(ADAS)和自动驾驶车辆日益成为现实,汽车对集成多种传感器(例如毫米波雷达、LiDAR 和超声波传感器)的需求日益增长,用于检测物体和人员,提供对车辆周围环境的感知。将模拟信号转换成数字信号的 A/D 转换器必须高速、高精度地工作。然而,机动车辆特有的恶劣条件使得获得稳定的性能成为重要的问题。为此,瑞萨和日立推出全新的连续时间数字校准技术,使能够承受严酷条件的高速、高精度ΔΣ A/D 转换器成为现实。由瑞萨和日立共同开发的新型 A/D 转换器电路技术如下所述。

 

(1)运用 LMS 算法测量并校准连续时间ΔΣ调制器传递函数的技术
通常,无需输入采样电容器且适合于高带宽的 RC 积分器被用作提高ΔΣ A/D 转换器转换速度的手段。这些积分器级联连接,用于高阶环路滤波器。但是,当输入过大时,会由于ΔΣ调制器的振荡而导致精度下降。另一方面,由多级连接的低阶ΔΣ调制器组成的多级ΔΣ调制器,可在保证ΔΣ A/D 转换器稳定性的前提下用于实现高阶ΔΣ调制器。然而,在多级配置中,如果模拟传递函数和数字传递函数不完全匹配,则精度会受到影响,因此,此类配置容易受到诸如温度变化等环境因素的干扰,从而难以实现更高的精度。

 

典型的多级ΔΣ调制器非常稳定,但难以实现更高精度。为解决这一难题,瑞萨和日立联合开发了一种数字校准ΔΣ调制器传递函数的技术。该技术将伪随机数信号输入至第一级ΔΣ调制器的量化器输入端,作为参考信号,使得同时使用第一级调制器的噪声传递函数和第二级调制器的信号传递函数的 LMS 算法进行背景搜索成为可能。通过 LMS 算法搜索的系数被输入到 FIR 数字滤波器,第二级调制器的结果用于完全消除第一级调制器的量化误差,从而可以获得高精度的 A/D 转换。即使模拟积分器的特性受温度等环境变化的影响,这项新技术也可以在后台运行的数字电路内进行校准。最终,瑞萨和日立成功地在高度稳定的多级ΔΣ调制器中实现了高精度和强健性能,这在以前被认为是十分困难,甚至是不可能实现的。

 

(2)世界首创的多速率 LMS 搜索算法,可实现更小的电路规模和更低的功耗
使用上述基于 LMS 的系数搜索算法搜索ΔΣ调制器传输函数,当积分器放大器电路的增益带宽积不足时,FIR 数字滤波器所需的接入系数数目非常大(超过 100),这意味着逻辑电路的规模将不切实际地庞大。然而,研究发现仅提取信号带宽附近的传递函数特性就足以进行传递函数校准。通过利用后置调节器来减少不必要的频率信息,即使在放大器电路的增益带宽乘积较小时,也可以实质上减少接入系数的量。此外,通过使用移位寄存器存储参考信号数据,瑞萨与日立利用 LMS 算法开发了一种不受子采样影响的新型校准电路,从而可将系数搜索和 FIR 滤波器的工作频率降低到先前的四分之一。这一世界首创的数字校准电路技术成功缩减了电路规模,同时也降低了功耗(注 2)。

 

瑞萨将继续开发该技术的实际应用,以实现汽车传感器信号高速、高精度和高可靠性的 A/D 转换,从而加速自动驾驶技术的广泛采用,打造更安全的驾驶体验。

 

注释
(注 1)测试芯片上 A/D 转换器的特性证实,在 -20 至 125°C 的温度范围内,传递函数系数搜索实现了背景操作,并且信噪比变化不超过±1db。


(注 2)在新款 A/D 转换器中,积分放大器电路的增益带宽乘积不足时所需的 FIR 滤波器输入系数的量减少到 10;而使用传统方法则超过 100。