在ISSCC大會展示全新電路開發技術，利用世界首創的多速率LMS算法實現Delta-Sigma A/D轉換器的連續時間數字校準

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delta-sigma（ΔΣ）調制器和模數（A/D）轉換器電路的連續時間數字校準。

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，以獲得精度的提升。（2）世界首創的多速率LMS搜索算法，降低了系數搜索電路和FIR數字濾波器的階數及工作頻率，從而降低功耗；同時采用28nm工藝，實現了采用高速時序積分器的多級ΔΣ A/D轉換器。

以前，數字校準電路需要在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，可以實現信號帶寬為15 MHz且動態范圍為74.3 dB的高速、高精度操作。通過將數字校準電路的工作頻率降低到120MHz，仍可實現低功耗運行——功耗僅為37mW（模擬：19mW，數字：18mW）。此外，該新技術已被證實可在較寬的溫度范圍內帶來穩定性能，證明其具備高強健性并能夠在惡劣的條件下穩定運行（注1）。

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

近年來，隨著先進的駕駛員輔助系統（ADAS）和自動駕駛車輛日益成為現實，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，提供對車輛周圍環境的感知。將模擬信號轉換成數字信號的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時間數字校準技術，使能夠承受嚴酷條件的高速、高精度ΔΣ A/D轉換器成為現實。由瑞薩和日立共同開發的新型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時間ΔΣ調制器傳遞函數的技術

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。這些積分器級聯連接，用于高階環路濾波器。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轉換器穩定性的前提下用于實現高階ΔΣ調制器。然而，在多級配置中，如果模擬傳遞函數和數字傳遞函數不完全匹配，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境因素的干擾，從而難以實現更高的精度。

典型的多級ΔΣ調制器非常穩定，但難以實現更高精度。為解決這一難題，瑞薩和日立聯合開發了一種數字校準ΔΣ調制器傳遞函數的技術。該技術將偽隨機數信號輸入至第一級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和第二級調制器的信號傳遞函數的LMS算法進行背景搜索成為可能。通過LMS算法搜索的系數被輸入到FIR數字濾波器，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境變化的影響，這項新技術也可以在后臺運行的數字電路內進行校準。最終，瑞薩和日立成功地在高度穩定的多級ΔΣ調制器中實現了高精度和強健性能，這在以前被認為是十分困難，甚至是不可能實現的。

（2）世界首創的多速率LMS搜索算法，可實現更小的電路規模和更低的功耗

使用上述基于LMS的系數搜索算法搜索ΔΣ調制器傳輸函數，當積分器放大器電路的增益帶寬積不足時，FIR數字濾波器所需的接入系數數目非常大（超過100），這意味著邏輯電路的規模將不切實際地龐大。然而，研究發現僅提取信號帶寬附近的傳遞函數特性就足以進行傳遞函數校準。通過利用后置調節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的量。此外，通過使用移位寄存器存儲參考信號數據，瑞薩與日立利用LMS算法開發了一種不受子采樣影響的新型校準電路，從而可將系數搜索和FIR濾波器的工作頻率降低到先前的四分之一。這一世界首創的數字校準電路技術成功縮減了電路規模，同時也降低了功耗（注2）。

瑞薩將繼續開發該技術的實際應用，以實現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，傳遞函數系數搜索實現了背景操作，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濾波器輸入系數的量減少到10；而使用傳統方法則超過100。