-
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?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]<
/p>
。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
S
imulink
工具，
完成一个
14<
/p>
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<
/p>
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
< br>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
Si
ngle?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<
/p>
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<
/p>
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
1
b
）
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
< br>与系统时钟
CLK2
的
周期
?P
系如下：