瑞薩電子與日立開發(fā)可在惡劣條件下穩(wěn)定運行的高速、高精度汽車A/D轉換器電路

在ISSCC大會展示全新電路開發(fā)技術，利用世界首創(chuàng)的多速率LMS算法實現(xiàn)Delta-Sigma A/D轉換器的連續(xù)時間數(shù)字校準

全球領先的半導體解決方案供應商瑞薩電子株式會社（TSE：6723）和日立有限公司（TSE:6510）今日宣布一項技術合作，以實現(xiàn)delta-sigma（ΔΣ）調制器和模數(shù)（A/D）轉換器電路的連續(xù)時間數(shù)字校準。

這一全新技術旨在提升ΔΣ A/D轉換器的性能，使其在汽車半導體器件所需的苛刻條件下保持穩(wěn)定的性能。該新技術包括（1）通過使用最小均方（LMS）算法來測量并校準傳遞函數(shù)，以獲得精度的提升。（2）世界首創(chuàng)的多速率LMS搜索算法，降低了系數(shù)搜索電路和FIR數(shù)字濾波器的階數(shù)及工作頻率，從而降低功耗；同時采用28nm工藝，實現(xiàn)了采用高速時序積分器的多級ΔΣ A/D轉換器。

以前，數(shù)字校準電路需要在A/D轉換器的過采樣頻率下工作，但是新電路將工作頻率降低到先前頻率的四分之一。由此，當以480MHz的過采樣頻率工作時，可以實現(xiàn)信號帶寬為15 MHz且動態(tài)范圍為74.3 dB的高速、高精度操作。通過將數(shù)字校準電路的工作頻率降低到120MHz，仍可實現(xiàn)低功耗運行——功耗僅為37mW（模擬：19mW，數(shù)字：18mW）。此外，該新技術已被證實可在較寬的溫度范圍內帶來穩(wěn)定性能，證明其具備高強健性并能夠在惡劣的條件下穩(wěn)定運行（注1）。

瑞薩電子于2月18日在2020年國際固態(tài)電路大會（ISSCC）上展示了這一與日立公司協(xié)作的成果。

近年來，隨著先進的駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）和自動駕駛車輛日益成為現(xiàn)實，汽車對集成多種傳感器（例如毫米波雷達、LiDAR和超聲波傳感器）的需求日益增長，用于檢測物體和人員，提供對車輛周圍環(huán)境的感知。將模擬信號轉換成數(shù)字信號的A/D轉換器必須高速、高精度地工作。然而，機動車輛特有的惡劣條件使得獲得穩(wěn)定的性能成為重要的問題。為此，瑞薩和日立推出全新的連續(xù)時間數(shù)字校準技術，使能夠承受嚴酷條件的高速、高精度ΔΣ A/D轉換器成為現(xiàn)實。由瑞薩和日立共同開發(fā)的新型A/D轉換器電路技術如下所述。

（1）運用LMS算法測量并校準連續(xù)時間ΔΣ調制器傳遞函數(shù)的技術

通常，無需輸入采樣電容器且適合于高帶寬的RC積分器被用作提高ΔΣ A/D轉換器轉換速度的手段。這些積分器級聯(lián)連接，用于高階環(huán)路濾波器。但是，當輸入過大時，會由于ΔΣ調制器的振蕩而導致精度下降。另一方面，由多級連接的低階ΔΣ調制器組成的多級ΔΣ調制器，可在保證ΔΣ A/D轉換器穩(wěn)定性的前提下用于實現(xiàn)高階ΔΣ調制器。然而，在多級配置中，如果模擬傳遞函數(shù)和數(shù)字傳遞函數(shù)不完全匹配，則精度會受到影響，因此，此類配置容易受到諸如溫度變化等環(huán)境因素的干擾，從而難以實現(xiàn)更高的精度。

典型的多級ΔΣ調制器非常穩(wěn)定，但難以實現(xiàn)更高精度。為解決這一難題，瑞薩和日立聯(lián)合開發(fā)了一種數(shù)字校準ΔΣ調制器傳遞函數(shù)的技術。該技術將偽隨機數(shù)信號輸入至第一級ΔΣ調制器的量化器輸入端，作為參考信號，使得同時使用第一級調制器的噪聲傳遞函數(shù)和第二級調制器的信號傳遞函數(shù)的LMS算法進行背景搜索成為可能。通過LMS算法搜索的系數(shù)被輸入到FIR數(shù)字濾波器，第二級調制器的結果用于完全消除第一級調制器的量化誤差，從而可以獲得高精度的A/D轉換。即使模擬積分器的特性受溫度等環(huán)境變化的影響，這項新技術也可以在后臺運行的數(shù)字電路內進行校準。最終，瑞薩和日立成功地在高度穩(wěn)定的多級ΔΣ調制器中實現(xiàn)了高精度和強健性能，這在以前被認為是十分困難，甚至是不可能實現(xiàn)的。

（2）世界首創(chuàng)的多速率LMS搜索算法，可實現(xiàn)更小的電路規(guī)模和更低的功耗

使用上述基于LMS的系數(shù)搜索算法搜索ΔΣ調制器傳輸函數(shù)，當積分器放大器電路的增益帶寬積不足時，F(xiàn)IR數(shù)字濾波器所需的接入系數(shù)數(shù)目非常大（超過100），這意味著邏輯電路的規(guī)模將不切實際地龐大。然而，研究發(fā)現(xiàn)僅提取信號帶寬附近的傳遞函數(shù)特性就足以進行傳遞函數(shù)校準。通過利用后置調節(jié)器來減少不必要的頻率信息，即使在放大器電路的增益帶寬乘積較小時，也可以實質上減少接入系數(shù)的量。此外，通過使用移位寄存器存儲參考信號數(shù)據(jù)，瑞薩與日立利用LMS算法開發(fā)了一種不受子采樣影響的新型校準電路，從而可將系數(shù)搜索和FIR濾波器的工作頻率降低到先前的四分之一。這一世界首創(chuàng)的數(shù)字校準電路技術成功縮減了電路規(guī)模，同時也降低了功耗（注2）。

瑞薩將繼續(xù)開發(fā)該技術的實際應用，以實現(xiàn)汽車傳感器信號高速、高精度和高可靠性的A/D轉換，從而加速自動駕駛技術的廣泛采用，打造更安全的駕駛體驗。

注釋

（注1）測試芯片上A/D轉換器的特性證實，在-20至125°C的溫度范圍內，傳遞函數(shù)系數(shù)搜索實現(xiàn)了背景操作，并且信噪比變化不超過±1db。

（注2）在新款A/D轉換器中，積分放大器電路的增益帶寬乘積不足時所需的FIR濾波器輸入系數(shù)的量減少到10；而使用傳統(tǒng)方法則超過100。