《電子技術(shù)應(yīng)用》
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高性能可重構(gòu)流水線ADC的設(shè)計(jì)與仿真
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2013年第4期
陳振宇，王立志,，任曉岳
空軍工程大學(xué) 理學(xué)院,，陜西 西安710051
摘要： 提出了一種14 bit、100 MS/s可重構(gòu)流水線ADC的設(shè)計(jì)方案,，在采樣/保持電路,、柵壓自舉開關(guān)、折疊式共源共柵運(yùn)算放大器,、可重構(gòu)控制器等關(guān)鍵電路上均有明顯改進(jìn),，降低了非理想因素對系統(tǒng)的影響，保證了所設(shè)計(jì)的流水線ADC的指標(biāo)實(shí)現(xiàn),，并對關(guān)鍵模塊電路和ADC系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,。
中圖分類號(hào)： TN492
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2013)04-0039-03
Design and simulation of high-performance and reconfigurable pipelined ADC
Chen Zhenyu,，Wang Lizhi，Ren Xiaoyue
School of Science,，Air Force Engineering University,，Xi′an 710051，China
Abstract： A reconfigurable 14 bit and 100 MS/s pipelined ADC is proposed in this paper. To reduce the influence of non-ideal factors and achieve the design objectives,，this paper has improved obviously on the design of some key units including sampling-and-hold circuit,，bootstrapped switch，folded cascade amplifier and reconfigurable controller. The paper also discusses the simulation of the key units and the system.
Key words : communication protocols,；reconfigurable pipelined ADC,；bootstrapped switch；non-ideal factors,；simulation

    隨著電子技術(shù)的發(fā)展,，當(dāng)前先進(jìn)的數(shù)字通信設(shè)備系統(tǒng)對高速度、高分辨率ADC的需求不斷增加[1],。數(shù)字通信協(xié)議也在快速發(fā)展,，這些通信協(xié)議所需要模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)是不一樣的[2]，所以多種不同的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的共存無法避免,。為實(shí)現(xiàn)不同通信標(biāo)準(zhǔn)的融合,，一個(gè)重要的發(fā)展趨勢是通信系統(tǒng)將能提供多種服務(wù)的集成，即對不同通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的兼容,。在實(shí)現(xiàn)功能多樣化的同時(shí)，盡可能減小功耗和成本,，最大限度地利用現(xiàn)有的軟硬件資源,。

    針對上述情況，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)14 bit,、100 MS/s的流水線ADC,，并且根據(jù)ADC系統(tǒng)逐級(jí)縮減的設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)了可重構(gòu)配置電路,，能通過關(guān)斷子級(jí)電路控制流水線ADC在8 bit,、10 bit、12 bit,、14 bit的不同模式下工作,，以適應(yīng)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，更有效地減小功耗,。
1 流水線ADC系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    現(xiàn)在的流水線ADC大多采用帶冗余位結(jié)構(gòu),，1.5 bit/級(jí)和2.5 bit/級(jí)結(jié)構(gòu)都被廣泛采用。根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]提出的分析方法,，考慮流水線ADC的可重構(gòu)特性,，并從優(yōu)化整體功耗和性能的角度出發(fā),，選定了2.5 bit/級(jí)的ADC結(jié)構(gòu)，末級(jí)采用2 bit的Flash ADC,，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

    如圖所示， ADC系統(tǒng)主要包括一個(gè)可重構(gòu)控制器,、前置采樣/保持電路,、3級(jí)可控的2.5 bit/級(jí)的流水線子級(jí)模塊、冗余位數(shù)字校正和延時(shí)對齊電路,?？芍貥?gòu)控制器根據(jù)系統(tǒng)控制信號(hào)CON產(chǎn)生不同的狀態(tài)信號(hào)控制關(guān)斷子級(jí)電路，改變ADC的工作模式,，可以實(shí)現(xiàn)分辨率位數(shù)分別為8 bit,、10 bit、12 bit,、14 bit的動(dòng)態(tài)可變,。各相應(yīng)未參與貢獻(xiàn)分辨率的流水線級(jí)可進(jìn)行關(guān)斷不工作，以節(jié)省功耗,。另外,，考慮電容失配的影響，根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]中的介紹,，首級(jí)采樣電容匹配精度的下限值要求為：
    
2.2 運(yùn)算放大器
    根據(jù)設(shè)計(jì)要求,，本文采用了全差分增益增強(qiáng)型折疊式共源共柵運(yùn)算放大器[7]，如圖4所示,。
    增益提高的原理：通過負(fù)反饋環(huán)路來決定M2管子漏電壓的大小,，負(fù)反饋驅(qū)動(dòng)直到M2和M1之間電平與

   
    整個(gè)可重構(gòu)流水線ADC的工作原理為：系統(tǒng)將重構(gòu)控制信號(hào)CON送給可重構(gòu)控制器，控制器內(nèi)部的譯碼器對可重構(gòu)控制信號(hào)進(jìn)行譯碼,，而譯碼器的輸出D3,、D2、D1,、D0決定了可重構(gòu)ADC的工作模式,。D3、D2,、D1,、D0共有0001、0010,、0100,、1000 4種狀態(tài)，通過邏輯狀態(tài)配置來控制Vin(前置采樣/保持的輸出)的輸出路徑C7、C5,、C3,、C1，分別對應(yīng)控制ADC不同工作模式8 bit,、10 bit,、12 bit、14 bit,，并且,，通過信號(hào)C2、C4,、C6把沒有用到的流水線前端子級(jí)關(guān)斷,，以節(jié)省功耗。
3 系統(tǒng)性能仿真
    本文用Matlab的Simulink仿真工具對整體ADC電路進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真[8],。在仿真中,，充分考慮流水線ADC的各個(gè)非理想效應(yīng)，流水線ADC的輸入是頻率為10 MHz的正弦信號(hào),，采樣頻率為100 MHz,，采樣點(diǎn)數(shù)為4 096。為了更好地分析流水線ADC的整體性能,，根據(jù)系統(tǒng)縮減方案,，在仿真中設(shè)定級(jí)電路電容失配依次為0.03%、0.04%,、0.06%,、0.08%、0.12%,、0.18%,，級(jí)間增益誤差和比較器失調(diào)誤差都設(shè)為0.5%。其不同工作模式下的仿真如圖7所示,。

    由結(jié)果可知，對于較低分辨率下的模式(如8 bit和10 bit時(shí)),，流水線ADC的仿真性能能很好地達(dá)到要求,。但對于較高分辨率(如對于14 bit模式)，有效位數(shù)ENOB在12 bit標(biāo)準(zhǔn)(有效位數(shù)ENOB是在ADC器件信噪比基礎(chǔ)上計(jì)算出來的,，其反應(yīng)了信噪比的好壞),。而對于越高分辨的ADC，系統(tǒng)的影響因素(如失調(diào),、失配影響)會(huì)越來越嚴(yán)重,。總之，仿真數(shù)據(jù)說明本設(shè)計(jì)的可重構(gòu)流水線ADC基本滿足設(shè)計(jì)指標(biāo),。
    利用Cadence中計(jì)算器里的AVERAGE對電源處的電流波形進(jìn)行計(jì)算,，最終可以得到各模塊的功耗。對各模式下的功耗比例進(jìn)行計(jì)算,，可以得到表3所示結(jié)果,。

    本文設(shè)計(jì)的改進(jìn)型可重構(gòu)ADC在低精度工作模式下的功耗相比精度固定的ADC能降低約50%?？傮w來看,，根據(jù)不同的條件進(jìn)行不同的重構(gòu)配置，在不同模式下的功耗降低非常明顯,。
    本文對可重構(gòu)流水線ADC結(jié)構(gòu)電路進(jìn)行了設(shè)計(jì),，采用高速前置采樣/保持電路、寬帶高增益折疊式共源共柵運(yùn)算放大器,、可重構(gòu)控制器等關(guān)鍵電路,，在性能上均有明顯增強(qiáng)。并仿真驗(yàn)證了該ADC在各種工作模式下都可以達(dá)到良好的性能,，滿足多標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字通信終端的多模式工作的應(yīng)用要求,。下一步還需對速度可重構(gòu)進(jìn)行研究，以更有效地進(jìn)行重構(gòu)降低功耗,。
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