Characterization and Correction of Analog-to-Digital Converters

Denna avhandling behandlar analog-digitalomvandling. I synnerhet behandlas postkorrektion av analog-digitalomvandlare (A/D-omvandlare). A/D-omvandlare är i praktiken behäftade med vissa fel som i sin tur ger upphov till distorsion i omvandlarens utsignal. Om felen har ett systematiskt samband med utsignalen kan de avhjälpas genom att korrigera utsignalen i efterhand. Detta verk behandlar den form av postkorrektion som implementeras med hjälp av en tabell ur vilken korrektionsvärden hämtas. Innan en A/D-omvandlare kan korrigeras måste felen i den mätas upp. Detta görs genom att estimera omvandlarens överföringsfunktion. I detta arbete behandlas speciellt problemet att skatta kvantiseringsintervallens mittpunkter. Det antas härvid att en referenssignal finns tillgänglig som grund för skattningen. En skattare som baseras på sorterade data visas vara bättre än den vanligtvis använda skattaren baserad på sampelmedelvärde. Nästa huvudbidrag visar hur resultatet efter korrigering av en A/D-omvandlare kan predikteras. Omvandlaren antas här ha en viss differentiell olinjäritet och insignalen antas påverkad av ett slumpmässigt brus. Ett postkorrektionssystem, implementerat med begränsad precision, korrigerar utsignalen från A/D-omvandlaren. Ett utryck härleds som beskriver signal-brusförhållandet efter postkorrektion. Förhållandet visar sig bero på den differentiella olinjäritetens varians, det slumpmässiga brusets varians, omvandlarens upplösning samt precisionen med vilken korrektionstermerna beskrivs. Till sist behandlas indexering av korrektionstabeller. Valet av metod för att indexera en korrektionstabell påverkar såväl tabellens storlek som förmågan att beskriva och korrigera dynamiska fel. I avhandlingen behandlas i synnerhet tillståndsmodellbaserade metoder, det vill säga metoder där tabellindex bildas som en funktion utav flera på varandra följande sampel. Allmänt gäller att ju fler sampel som används för att bilda ett tabellindex, desto större blir tabellen, samtidigt som förmågan att beskriva dynamiska fel ökar. En indexeringsmetod som endast använder en delmängd av bitarna i varje sampel föreslås här. Vidare så påvisas hur valet av indexeringsbitar kan göras optimalt, och experimentella utvärderingar åskådliggör att tabellstorleken kan reduceras avsevärt utan att fördenskull minska prestanda mer än marginellt. De teorier och resultat som framförs här har utvärderats med experimentella A/D-omvandlardata eller genom datorsimuleringar.Analog-to-digital conversion and quantization constitute the topic of this thesis. Post-correction of analog-to-digital converters (ADCs) is considered in particular. ADCs usually exhibit non-ideal behavior in practice. These non-idealities spawn distortions in the converters output. Whenever the errors are systematic, it is possible to mitigate them by mapping the output into a corrected value. The work herein is focused on problems associated with post-correction using look-up tables. All results presented are supported by experiments or simulations. The first problem considered is characterization of the ADC. This is in fact an estimation problem, where the transfer function of the converter should be determined. This thesis deals with estimation of quantization region midpoints, aided by a reference signal. A novel estimator based on order statistics is proposed, and is shown to have superior performance compared with the sample mean traditionally used. The second major area deals with predicting the performance of an ADC after post-correction. A converter with static differential nonlinearities and random input noise is considered. A post-correction is applied, but with limited (fixed-point) resolution in the corrected values. An expression for the signal-to-noise and distortion ratio after post-correction is provided. It is shown that the performance is dependent on the variance of the differential nonlinearity, the variance of the random noise, the resolution of the converter and the precision of the correction values. Finally, the problem of addressing, or indexing, the correction look-up table is dealt with. The indexing method determines both the memory requirements of the table and the ability to describe and correct dynamically dependent error effects. The work here is devoted to state-space--type indexing schemes, which determine the index from a number of consecutive samples. There is a tradeoff between table size and dynamics: more samples used for indexing gives a higher dependence on dynamic, but also a larger table. An indexing scheme that uses only a subset of the bits in each sample is proposed. It is shown how the selection of bits can be optimized, and the exemplary results show that a substantial reduction in memory size is possible with only marginal reduction of performance.QC 2010101