14位Single―slope ADC行为级建模与仿真

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1、14位Single slope ADC行为级建模与仿真摘 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，在红外焦平面读出电路设计中 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?slope ADC的系统模型。其充分讨论 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，给出电路的行为级仿真结果，为Single?slope ADC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?

2、34文献标识码：A文章编号： 1004?373X（2018）16?0104?04Abstract： As the single?slope ADC has the advantages of simple structure， high resolution， and easy integration， it has been widely used in the design of the infrared focal plane read?out circuit. Based on the Simulink tool in the Matlab software environment，

3、a 14?bit single?slope ADC system model is built. The specific implementation utilizing the Simulink tool for each unit module of the circuit and the time sequence relationship among signals are fully discussed. The behavioral simulation results of the circuit are given， which provides a reference fo

4、r the design and implementation of the single?slope ADC integrated circuit.Keywords： Single?slope ADC； behavioral modeling； infrared focal plane； Simulink； integrated circuit design； functional simulation 0 引 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1。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 阵列和读出集成电路(R

5、eadout Integrated Circuit, 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?Digital Converter, ADC)模块的 ROIC 电路， 实现了数字化读出取代模拟读出链，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(Successive Approximation Register，SAR)等多种不同结构和实现方式的

6、ADC中， Single?slope ADC 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出电路。本文在深入掌握传统 Single?slope ADC 工作原理的基础 上，结合红外焦平面阵列的读出电路特点，提出一种改进的 Single?slope ADC 架构。借助 Matlab 环境下的 Simulink 工具， 完成一个14位Single?slope ADC电路的行为级建模,并进行 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?slope ADC电路系统框图如图la）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、

7、一个与门和一个产生输出码字的计 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出信号到比较器的反相端,另一方面 作用于与门,控制信号输出；比较器的输出结果与时钟信号 经与门后作为输出计数器的时钟信号,触发该计数器计数并 输出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,比较器输出高电位,与时钟脉冲相与 后触发计数器计数；随着斜坡信号的上升,当斜坡信号大于 模拟输入信号时,比较器输出低电位,与门输出保持为低电 位,计数器停止计数,输出当前的转换值。可见, Single?slope ADC是

8、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?slope ADC架构，那么，随着通道数量的增加，读 出电路的面积也增加,降低了系统的集成度。因此,本文提 出一种如图lb）所示的改进型Single?slope ADC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lb）可见，本文设计的Single?slope ADC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

9、后送 到比较器的同相端，斜坡发生器的输出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出信号时，比较器输出 高电平；当输入的模拟信号小于斜坡发生器的输出信号时， 比较器输出低电平。然后，比较器的输出信号被作为锁存器 的锁存控制信号，不断进行周期计数的计数器输出作为锁存 器的锁存输入信号。当输入模拟信号小于斜坡发生器的输出 信号，比较器输出低电平时，锁存器停止锁存，并输出此时 的计数器状态，从而实现模拟电平到数字电平的转换。 2 改进架构的 Single?slope ADC 行为建模根据图lb）所示的Single?slope ADC系统

10、框图，在Matlab 软件环境下的 Simulink 工具中搭建一个 l4 位 Single?slope ADC 系统模型的过程与分析如下。2.l 采样保持模块采样保持电路用以确保Single?slope ADC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?slope ADC的关键模块之一8,利 用 Simulink 中 Repeating Sequence 模块可产生一个线性的斜 坡信号。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

11、文取模拟输入的范围为：01 V,所以斜 坡发生器的信号输出范围也为：01 V。此外，斜坡信号产 生的时间周期和采样时间周期相同，即0.163 85 ms。因此， Matlab 中 Repeating Sequence 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出电压和斜坡发生器输出电压：当采样保持电路的输出电压大于等于斜坡发生器的 输出电压时，比较器的输出为高电位；当采样保持电路的输 出电压小于斜坡发生器的输出电压时，比较器的输出为低电 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。在设计仿真中，为了保证被量化的模拟输入

12、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10。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01 V时，?=1214 V。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，out0outl3为计数器的数字输出。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出的桥梁。利 用 Simulink 中带有触发

13、功能的 D 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 给出 14 位锁存 器的行为级建模示意图。其中：输入端 C 连接比较器的输出， 进行高有效锁存；输入端 D 接计数器模块的输出端为 out0 out13；Q0Q13 为锁存后的数字输出。比较器输出高电位 时，锁存器对当前时刻的数值状态进行锁存并输出；当比较 器翻转输出为低电位时，锁存器锁存的输出值始终保持在翻 转时刻的数字状态，直到下个时刻当比较器输出为高电位时 再进行高有效位的锁存。 3 Single?slope ADC 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

14、 电路，用来检验在相同时刻下，数字输出再经过D/A转换电 路后的输出波形与采样保持的输出波形是否一致。设输入信 号的周期为6.554 ms，采样保持电路的周期为0.163 85 ms， 仿真时间为10 ms。模拟输入信号经采样保持后的输出波形 与数字输出经过 D/A 转换电路的输出波形如图 5 所示，可以 看出，相同时刻下，数字输出再经过D/A转换后的波形和采 样保持后输出的波形一致。比较器的输出如图 6 所示，可以 看出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0.5 V时，经D/A转换电路得到的输出 波形如图7所示，此时的模拟值为0.5 V，对应的数字量为8 19

15、2，锁存器的输出值为：。与表 1 中给出 的量化模拟输入电平与二进制码所对应关系 一致。 4 结 语针对传统Single?slope ADC架构在红外焦平面阵列的读 出集成电路应用中的不足，提出一种改进的 Single?slopeADC 架构。利用 Matlab 环境下的 Simulink 工具，建立了改 进型 Single?slope ADC 的行为级仿真模型，并进行了仿真验 证分析。仿真结果表明，本文提出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出电路设计研究D.北京：北京理工大学，2015.LIU Pengyun. Rese

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