一種可重構流水線結構模數轉換器的設計

摘 要： 設計了一種應用于多標準收發器的可重構流水線結構模數轉換器，通過一個重構配置控制信號動態地配置采樣頻率的大小及分辨率的位數，以滿足不同標準及系統的需要。在設計中還采用了共源共柵兩級運放和差分動態比較器來優化電路的速度和功耗。仿真結果表明這種可重構流水線結構模數轉換器能夠很好地實現采樣頻率及分辨率位數的可重構。

關鍵詞： 可重構；流水線；共源共柵兩級運放；差分動態比較器

隨著無線通信技術的快速發展，能夠兼容不同通信協議的多標準收發器已經成為當前研究熱點之一。而模數轉換器（ADC）作為其中的一個重要模塊，也受到越來越多的關注。在收發器中不同的接收模式下，系統對模數轉換器的采樣頻率和分辨率位數的要求不同。為了滿足系統需要，每一種接收模式都要對應一個特定采樣頻率和分辨率位數的模數轉換器。因此，對于一個存在多種接收模式的多標準收發器[1][2]來說，僅僅在模數轉換器方面就需要占用較大的芯片面積及較長的設計時間。

本文主要設計了一種可重構流水線結構模數轉換器。該模數轉換器通過重構配置控制電路產生一組控制信號來選擇不同的流水線級數及時鐘信號，從而產生一個采樣頻率（最高可達50MS/s）和分辨率位數（6～12位）一定的模數轉換器。此外在設計中還采用了共源共柵兩級運算放大器及差分動態比較器技術來優化電路的速度及功耗。仿真結果表明，這種可重構流水線結構的模數轉換器能夠自動實現采樣頻率及分辨率位數（6～12位）的可重構，特別適用于多標準收發器中。

1 可重構流水線ADC的結構

可重構流水線ADC的結構示意圖如圖1所示，它由一個采樣保持電路、11級1.5位/級的流水線、一個重構配置控制電路、延時和數字校正電路等組成；其中前面10級流水線結構完全相同，每級都包括一個2位的子ADC和一個MDAC電路；第11級流水線是一個2位的全并行ADC。

整個可重構流水線ADC的工作原理如下：重構配置控制信號送給重構配置控制電路，重構配置控制電路則根據重構配置控制信號的大小從時鐘信號中選擇一個時鐘頻率送給采樣保持電路作為采樣時鐘信號，同時也作為整個ADC的時鐘信號。這樣，不同的重構配置控制信號就可能選擇不同的時鐘信號，從而實現ADC采樣頻率的配置。在產生時鐘信號的同時重構配置控制電路也發出一組控制信號S0～S11及R12～R6控制11級流水線的工作狀態，其中控制信號R12～R6在ADC工作期間只有一個是處于有效狀態，亦即R12～R6所控制的開關只有一個是處于導通狀態，其他都斷開。由此決定可重構流水線ADC分辨率的位數，并通過S0～S11把沒有用到的流水線級數關斷，以節省功耗。例如：當R11有效時，ADC的分辨率位數為11位，采樣保持電路的輸出直接送給第2級流水線作為其輸入，同時把第1級流水線關斷以節省電路的功耗。當ADC的采樣頻率和分辨率位數配置之后，整個電路的工作情況就同一般結構的流水線ADC[3]一樣，由采樣保持電路對輸入的模擬信號進行采樣，并將保持的采樣值送給與之相連的流水線級。接收到采樣值的流水線級就對接收到的信號進行轉換處理，產生一個2位的數字信號送給延時和數字校正電路，同時產生一個余量增益信號送給下一級流水線作為其輸入信號。以此類推，直至最后一級流水線轉換完成。各級流水線轉換完成后產生的2位數字信號經延時對齊及數字校正后得到最終的數字輸出。通過不同的重構配置控制信號，該模數轉換器可以實現采樣頻率（最高可達50MS/s）以及分辨率位數（6～12位）的動態配置，可以滿足多標準接收器在不同的接收模式下對采樣頻率大小及分辨率位數的需要。

2 關鍵電路設計

2.1 采樣保持電路