一種可重構(gòu)流水線結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

摘 要： 設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于多標(biāo)準(zhǔn)收發(fā)器的可重構(gòu)流水線結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過一個(gè)重構(gòu)配置控制信號(hào)動(dòng)態(tài)地配置采樣頻率的大小及分辨率的位數(shù)，以滿足不同標(biāo)準(zhǔn)及系統(tǒng)的需要。在設(shè)計(jì)中還采用了共源共柵兩級(jí)運(yùn)放和差分動(dòng)態(tài)比較器來優(yōu)化電路的速度和功耗。仿真結(jié)果表明這種可重構(gòu)流水線結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠很好地實(shí)現(xiàn)采樣頻率及分辨率位數(shù)的可重構(gòu)。

關(guān)鍵詞： 可重構(gòu)；流水線；共源共柵兩級(jí)運(yùn)放；差分動(dòng)態(tài)比較器

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，能夠兼容不同通信協(xié)議的多標(biāo)準(zhǔn)收發(fā)器已經(jīng)成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一。而模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）作為其中的一個(gè)重要模塊，也受到越來越多的關(guān)注。在收發(fā)器中不同的接收模式下，系統(tǒng)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣頻率和分辨率位數(shù)的要求不同。為了滿足系統(tǒng)需要，每一種接收模式都要對(duì)應(yīng)一個(gè)特定采樣頻率和分辨率位數(shù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。因此，對(duì)于一個(gè)存在多種接收模式的多標(biāo)準(zhǔn)收發(fā)器[1][2]來說，僅僅在模數(shù)轉(zhuǎn)換器方面就需要占用較大的芯片面積及較長的設(shè)計(jì)時(shí)間。

本文主要設(shè)計(jì)了一種可重構(gòu)流水線結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該模數(shù)轉(zhuǎn)換器通過重構(gòu)配置控制電路產(chǎn)生一組控制信號(hào)來選擇不同的流水線級(jí)數(shù)及時(shí)鐘信號(hào)，從而產(chǎn)生一個(gè)采樣頻率（最高可達(dá)50MS/s）和分辨率位數(shù)（6～12位）一定的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。此外在設(shè)計(jì)中還采用了共源共柵兩級(jí)運(yùn)算放大器及差分動(dòng)態(tài)比較器技術(shù)來優(yōu)化電路的速度及功耗。仿真結(jié)果表明，這種可重構(gòu)流水線結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)采樣頻率及分辨率位數(shù)（6～12位）的可重構(gòu)，特別適用于多標(biāo)準(zhǔn)收發(fā)器中。

1 可重構(gòu)流水線ADC的結(jié)構(gòu)

可重構(gòu)流水線ADC的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，它由一個(gè)采樣保持電路、11級(jí)1.5位/級(jí)的流水線、一個(gè)重構(gòu)配置控制電路、延時(shí)和數(shù)字校正電路等組成；其中前面10級(jí)流水線結(jié)構(gòu)完全相同，每級(jí)都包括一個(gè)2位的子ADC和一個(gè)MDAC電路；第11級(jí)流水線是一個(gè)2位的全并行ADC。

整個(gè)可重構(gòu)流水線ADC的工作原理如下：重構(gòu)配置控制信號(hào)送給重構(gòu)配置控制電路，重構(gòu)配置控制電路則根據(jù)重構(gòu)配置控制信號(hào)的大小從時(shí)鐘信號(hào)中選擇一個(gè)時(shí)鐘頻率送給采樣保持電路作為采樣時(shí)鐘信號(hào)，同時(shí)也作為整個(gè)ADC的時(shí)鐘信號(hào)。這樣，不同的重構(gòu)配置控制信號(hào)就可能選擇不同的時(shí)鐘信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)ADC采樣頻率的配置。在產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的同時(shí)重構(gòu)配置控制電路也發(fā)出一組控制信號(hào)S0～S11及R12～R6控制11級(jí)流水線的工作狀態(tài)，其中控制信號(hào)R12～R6在ADC工作期間只有一個(gè)是處于有效狀態(tài)，亦即R12～R6所控制的開關(guān)只有一個(gè)是處于導(dǎo)通狀態(tài)，其他都斷開。由此決定可重構(gòu)流水線ADC分辨率的位數(shù)，并通過S0～S11把沒有用到的流水線級(jí)數(shù)關(guān)斷，以節(jié)省功耗。例如：當(dāng)R11有效時(shí)，ADC的分辨率位數(shù)為11位，采樣保持電路的輸出直接送給第2級(jí)流水線作為其輸入，同時(shí)把第1級(jí)流水線關(guān)斷以節(jié)省電路的功耗。當(dāng)ADC的采樣頻率和分辨率位數(shù)配置之后，整個(gè)電路的工作情況就同一般結(jié)構(gòu)的流水線ADC[3]一樣，由采樣保持電路對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，并將保持的采樣值送給與之相連的流水線級(jí)。接收到采樣值的流水線級(jí)就對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，產(chǎn)生一個(gè)2位的數(shù)字信號(hào)送給延時(shí)和數(shù)字校正電路，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)余量增益信號(hào)送給下一級(jí)流水線作為其輸入信號(hào)。以此類推，直至最后一級(jí)流水線轉(zhuǎn)換完成。各級(jí)流水線轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生的2位數(shù)字信號(hào)經(jīng)延時(shí)對(duì)齊及數(shù)字校正后得到最終的數(shù)字輸出。通過不同的重構(gòu)配置控制信號(hào)，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)采樣頻率（最高可達(dá)50MS/s）以及分辨率位數(shù)（6～12位）的動(dòng)態(tài)配置，可以滿足多標(biāo)準(zhǔn)接收器在不同的接收模式下對(duì)采樣頻率大小及分辨率位數(shù)的需要。

2 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

2.1 采樣保持電路