14位Single—slope ADC行为级建模与仿真

王玉娇 黄静 孙玲 韩笑 邓洪海

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

中图分类号： TN492?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）16?0104?04

Abstract： 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， 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 for 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（Readout 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1b）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1b）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1b）所示的Single?slope ADC系统框图，在Matlab软件环境下的Simulink工具中搭建一个14位Single?slope ADC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?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的周期关系如下：

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。本文取模拟输入的范围为：0～1 V，所以斜坡发生器的信号输出范围也为：0～1 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0～1 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中帶有清零功能的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，out0～out13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；Q0～Q13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8 192，锁存器的输出值为：10000000000000。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10000000000000一致。

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?slope ADC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. Research and design of read?out circuit for uncooled infrared focal plane arrays [D]. Beijing： Beijing Institute of Technology， 2015.

[2] 李岳.一种10位Single?slope ADC的电路仿真与版图设计[D].成都：电子科技大学，2015.

LI Yue. Circuit simulation and layout design of a 10?bit single?slope ADC [D]. Chengdu： University of Electronic Science and Technology of China， 2015.

[3] UCHIDA D， IKEBE M， MOTOHISA J， et al. A 12?bit， 5.5 μW single?slope ADC using intermittent working TDC with multi?phase clock signals [C]// Proceedings of 21st IEEE International Conference on Electronics， Circuits and Systems. Marseille： IEEE， 2014： 770?773.

[4] 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.

XU Wenjing. Research and design of column?level ADC for CMOS image sensor [D]. Tianjin： Tianjin University， 2012.

[5] 白丕绩，姚立斌.第三代红外焦平面探测器读出电路[J].红外技术，2015，37（2）：89?96.

BAI Piji， YAO Libin. Read out integrated circuit for third?generation infrared focal plane detector [J]. Infrared technology， 2015， 37（2）： 89?96.

[6] TANG F， CHEN D G， WANG B， et al. Low?power CMOS image sensor based on column?parallel single?slope/SAR quantization scheme [J]. IEEE transactions on electron devices， 2013， 60（8）： 2561?2566.

[7] KIM， D， SONG M. An enhanced dynamic?range CMOS image sensor using a digital logarithmic single?slope ADC [J]. IEEE transactions on circuits & systems II： express briefs， 2012， 59（10）： 653?657.

[8] 周云.无TEC非制冷红外焦平面读出电路的研究[D].成都：电子科技大学，2013.

ZHOU Yun. Research on TEC?less uncooled infrared focal plane readout integrate circuit [D]. Chengdu： University of Electronic Science and Technology of China， 2013.

[9] 韩笑，孙玲，吴秀山.Simulink环境下的SAR ADC行为建模与仿真分析[J].现代电子技术，2017，40（6）：136?139.

HAN Xiao， SUN Ling， WU Xiushan. SAR ADC behavior modeling and simulation analysis under Simulink environment [J]. Modern electronics technique， 2017， 40（6）： 136?139.

[10] SHINOZUKA Y， SHIRAISHI K， FURUTA M， et al. A single?slope based low?noise ADC with input?signal?dependent multiple sampling scheme for CMOS image sensors [C]// Proceedings of IEEE International Symposium on Circuits and Systems. Lisbon： IEEE， 2015： 357?360.