14位Single―slopeADC行为级建模与仿真

1、摘要：单斜率型模/数转换器以其简单的结构、较高的分辨率和易于集成的优势，在红外焦平面读生电路设计中被广泛应用。基于Matlab软件环境下的Simulink工具，建立了一个14位Single?slopeADC的系统模型。具充分讨论Simulink工具下电路各单元模块的具体实现和信号间的时序关系，给由电路的行为级仿真结果，为Single?slopeADC的集成电路设计与实现提供参考。关键词：单斜模/数转换器；行为级建模；红外焦平面；Simulink；集成电路设计；功能仿真中？D分类号：TN492?34文献标识码：A文章编号：1004?373X(2018)16?0104?04Abstract：Ast

2、hesingle?slopeADChastheadvantagesofsimplestructure,highresolution,andeasyintegration,ithasbeenwidelyusedinthedesignoftheinfraredfocalplaneread?outcircuit.BasedontheSimulinktoolintheMatlabsoftwareenvironment，a14?bitsingle?slopeADCsystemmodelisbuilt.ThespecificimplementationutilizingtheSimulinktoolfor

3、eachunitmoduleofthecircuitandthetimesequencerelationshipamongsignalsarefullydiscussed.Thebehavioralsimulationresultsofthecircuitaregiven,whichprovidesareferenceforthedesignandimplementationofthesingle?slopeADCintegratedcircuit.Keywords:Single?slopeADC;behavioralmodeling;infraredfocalplane;Simulink；i

4、ntegratedcircuitdesign；functionalsimulation0弓I言红外焦平面成像系统在军事、医疗扫描、空间探测、环境监控以及民用消费电子方面有着广泛的应用1O红外探测器是红外焦平面成像系统的关键模块之一，其一般由探测器阵列和读生集成电路(ReadoutIntegratedCircuit,ROIC)两部分组成。为了便于系统后续数字化处理，集成了模/数转换(Analog?to?DigitalConverter,ADC)模块的ROIC电路，实现了数字化读生取代模拟读生链，成为人们研究的热点之一2。随着半导体工艺的提升和集成电路设计技术的进步，ADC一直朝着高精度、低功耗和

5、高速的方向发展3?5。在全并行结构(FLASH)、分级型结构(Subranging)、流水线结构(Pipeline)和逐次逼近型结构(SuccessiveApproximationRegister,SAR)等多种不同结构和实现方式的ADC中，Single?slopeADC以其较高的分辨率和结构简单的优势，非常适用于红外焦平面读生电路。本文在深入掌握传统Single?slopeADC工作原理的基础上，结合红外焦平面阵列的读生电路特点，提由一种改进的Single?slopeADC架构。借助Matlab环境下的Simulink工具,完成一个14位Single?slopeADC电路的行为级建模，并进行

6、仿真分析，验证了改进架构的可行性。1电路工作原理一个典型的Single?slopeADC电路系统框图如图1a）所示，由图可见，该电路包含了一个斜坡发生器、一个时间间隔计数器、一个比较器、一个与门和一个产生输生码字的计数器6。转换周期开始时，模拟输入信号输入到比较器正相端，计数器被复位；时钟信号一方面作用于时间间隔计数器，触发斜坡发生器产生输由信号到比较器的反相端，另一方面作用于与门，控制信号输由；比较器的输生结果与时钟信号经与门后作为输由计数器的时钟信号，触发该计数器计数并输由当前模拟量的转换结果。该图中，当斜坡发生器的信号小于模拟输入信号时，比较器输由高电位，与时钟脉冲相与后触发计数器计数；

7、随着斜坡信号的上升，当斜坡信号大于模拟输入信号时，比较器输由低电位，与门输由保持为低电位，计数器停止计数，输由当前的转换值。可见，Single?slopeADC是一种串行ADC,仅适用于红外焦平面系统的单通道ADC转换需求7。在红外焦平面阵列中，若仍采用这种传统Single?slopeADC架构，那么，随着通道数量的增加，读由电路的面积也增加，降低了系统的集成度。因此，本文提由一种如图1b）所示的改进型Single?slopeADC架构。在该架构中，输入通道增加了一个采样保持模块，但多个通道的模/数转换可以共用一个计数器，从而有效减小电路面积，降低功耗，提高集成度。由图1b）可见，本文设计的S

8、ingle?slopeADC电路包括采样保持电路、斜坡发生器电路、比较器电路、锁存器电路和计数器电路。首先，输入的模拟信号经采样保持电路后送到比较器的同相端，斜坡发生器的输生信号被送到比较器的反相端。接着，比较器对输入的两路信号进行比较，当输入的模拟信号大于等于斜坡发生器的输由信号时，比较器输由高电平；当输入的模拟信号小于斜坡发生器的输生信号时，比较器输由低电平。然后，比较器的输由信号被作为锁存器的锁存控制信号，不断进行周期计数的计数器输由作为锁存器的锁存输入信号。当输入模拟信号小于斜坡发生器的输由信号，比较器输由低电平时，锁存器停止锁存，并输由此时的计数器状态，从而实现模拟电平到数字电平的转

9、换。2改进架构的Single?slopeADC行为建模根据图1b）所示的Single?slopeADC系统框图，在Matlab软件环境下的Simulink工具中搭建一个14位Single?slopeADC系统模型的过程与分析如下。2.1 采样保持模块采样保持电路用以确保Single?slopeADC在转换期间保持输入信号不变，以供后续电路进行量化处理。结合计数器清零的要求，采样保持电路时钟CLK1与系统时钟CLK2的周期？P系如下：2.2 斜坡发生器模块斜坡发生器是Single?slopeADC的关键模块之一8,利用Simulink中RepeatingSequence模块可产生一个线性的斜坡信

10、号。该斜坡信号的取值范围必须与输入的模拟信号幅值变化范围一致。本文取模拟输入的范围为：01V,所以斜坡发生器的信号输由范围也为：。1Vo止匕外，斜坡信号产生的时间周期和采样时间周期相同，即0.16385ms。因此，Matlab中RepeatingSequence模块参数设置如图2所示。2.3 比较器模块比较器用来比较采样保持后输由电压和斜坡发生器输由电压：当采样保持电路的输由电压大于等于斜坡发生器的输由电压时，比较器的输由为高电位；当采样保持电路的输由电压小于斜坡发生器的输由电压时，比较器的输生为低电位9。2.4 计数器模块计数器不断地进行周期性计数的同时还为锁存器提供触发锁存信号。在设计仿真

11、中，为了保证被量化的模拟输入电平能够得到相对应的二进制码，产生斜坡信号的时间周期和计数器计数的时间周期相同10o按照量化单位与输入模拟量的关系：?=12nVin,当转换位数n为14,模拟输入电压Vin为01V时，?=1214V。于是得到量化模拟输入电平与二进制码的关系见表1。利用Simulink中带有清零功能的D触发器，可实现n位同步计数器。图3为使用14个D触发器的模214同步计数器行为级模型示意图，其中，CLK是计数器的时钟输入信号，CLR是清零信号，out0out13为计数器的数字输由。2.5 锁存器模块锁存器电路是连接模拟输入转化为数字输由的桥梁。利用Simulink中带有触发功能的D

12、锁存器，搭建了14位锁存器行为级模型，实现同步锁存的功能。图4给由14位锁存器的行为级建模示意图。其中：输入端C连接比较器的输由，进行高有效锁存；输入端D接计数器模块的输由端为out0out13;Q0Q13为锁存后的数字输由。比较器输由高电位时，锁存器对当前时刻的数值状态进行锁存并输由；当比较器翻转输由为低电位时，锁存器锁存的输由值始终保持在翻转时刻的数字状态，直到下个时刻当比较器输生为高电位时再进行高有效位的锁存。3Single?slopeADC的行为级功能仿真利用Simulink工具，本文还搭建了一个14位D/A转换电路，用来检验在相同时刻下，数字输由再经过D/A转换电路后的输曲波形与采样

13、保持的输曲波形是否一致。设输入信号的周期为6.554ms,采样保持电路的周期为0.16385ms,仿真时间为10ms。模拟输入信号经采样保持后的输曲波形与数字输由经过D/A转换电路的输曲波形如图5所示，可以看出,相同时刻下，数字输由再经过D/A转换后的波形和采样保持后输生的波形一致。比较器的输由如图6所示，可以看由采样保持的电位越高，比较器高电位保持的时间越长，反之越短。当输入为0.5V时，经D/A转换电路得到的输生波形如图7所示，此时的模拟值为0.5V,对应的数字量为8192,锁存器的输由值为：10000000000000。与表1中给由的量化模拟输入电平与二进制码所对应关系100000000

14、00000一致。4结语针对传统Single?slopeADC架构在红外焦平面阵列的读由集成电路应用中的不足，提由一种改进的Single?slopeADC架构。利用Matlab环境下的Simulink工具，建立了改进型Single?slopeADC的行为级仿真模型，并进行了仿真验证分析。仿真结果表明，本文提由的改进方案切实可行，为集成电路的晶体管级设计提供了有效参考。参考文献1刘鹏云.非制冷红外焦平面阵列读生电路设计研究D.北京：北京理工大学，2015.LIUPengyun.Researchanddesignofread?outcircuitforuncooledinfraredfocalpla

15、nearraysD.BeijingBeijingInstituteofTechnology,2015.2李岳.一种10位Single?slopeADC的电路仿真与版图设计D.成都：电子科技大学，2015.LIYue.Circuitsimulationandlayoutdesignofa10?bitsingle?slopeADCD.Chengdu:UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,2015.2.6 UCHIDAD,IKEBEM,MOTOHISAJ,etal.A12?bit,5.5p,Wsingle?slopeADCusingint

16、ermittentworkingTDCwithmulti?phaseclocksignalsC/Proceedingsof21stIEEEInternationalConferenceonElectronicsCircuitsandSystems.Marseille:IEEE,2014:770?773.2.7 徐文静.CMOS图像传感器列级ADC研究与设计D.天津：天津大学，2012.XUWenjing.Researchanddesignofcolumn?levelADCforCMOSimagesensorD.Tianjin:TianjinUniversity,2012.2.8 白丕绩，姚立斌

17、.第三代红外焦平面探测器读由电路J.红外技术，2015,37(2):89?96.BAIPiji,YAOLibin.Readoutintegratedcircuitforthird?generationinfraredfocalplanedetectorJ.Infraredtechnology,2015,37(2):89?96.6 TANGF,CHENDG,WANGB,etal.Low?powerCMOSimagesensorbasedoncolumn?parallelsingle?slope/SARquantizationschemeJ.IEEEtransactionsonelectronde

18、vices,2013,60(8):2561?2566.7 KIMDSONGM.Anenhanceddynamic?rangeCMOSimagesensorusingadigitallogarithmicsingle?slopeADCJ.IEEEtransactionsoncircuits&systemsIIexpressbriefs,2012,59(10):653?657.8周云.无TEC非制冷红外焦平面读生电路的研究D.成都：电子科技大学，2013.ZHOUYun.ResearchonTEC?lessuncooledinfraredfocalplanereadoutintegratecircuitD.Chengdu:UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,2013.9韩笑，孙玲，吴秀山.Simulink环境下的SARADC行为建模与仿真分析J.现代电子技术，2017,40(6):136?139.HANXiao,SUNLing,WUXiushan.SARADCbehaviormodelingandsimulationanalys