14位Single―slope ADC行为级建模与仿真
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]。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?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，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
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LIU Pengyun. Research and design of read?out circuit for
uncooled infrared focal plane arrays [D]. Beijing： Beijing
Institute of Technology， 2015.
12位单斜ADC的设计
12位单斜ADC的设计
陈科全;唐鹤;郑炯卫;杨磊;甄少伟;张波
【摘 要】介绍的单斜ADC (Analog-to-Digital Converter,ADC)应用于三维成像激光焦平面读出电路,将读出电路检测到的电压模拟信号转换为数字信号,便于后续的信号处理.根据焦平面阵列规格、对信号精度和速度的需求,选择采用单斜结构ADC,其中斜坡发生器和计数器两个模块可以所有列共用,每列只需一个比较器和寄存器.斜坡发生器采用分段电容阵列结构,大大减小了芯片面积.由于ADC精度较高,也对比较器进行了失调校准,同时提出了一种新结构,使得比较器输入范围扩大至轨到轨.提出的ADC基于0.18 μm CMOS工艺进行设计,输入电压量化范围为1.1V,量化精度为12位,转换速度为5kHz.
【期刊名称】《电子与封装》
【年(卷),期】2018(018)008
【总页数】4页(P13-16)
【关键词】ADC;单斜;分段电容;失调校准;轨到轨
【作 者】陈科全;唐鹤;郑炯卫;杨磊;甄少伟;张波
【作者单位】电子科技大学,成都610054;电子科技大学,成都610054;电子科技大学,成都610054;电子科技大学,成都610054;电子科技大学,成都610054;电子科技大学,成都610054
【正文语种】中 文
【中图分类】TN402
1 引言
近年来，由于便携式电子产品需求的迅速增长、视频技术的迅速发展以及CMOS工艺制造技术的不断进步，CMOS图像传感器有了很大的发展。而ADC作为CMOS图像传感器中的重要组成部分，它对整个图像传感器的图像质量和运行速度等方面都有着决定性的影响。当今研究的图像传感器中涉及到的ADC分为3类，即像素级ADC、列级ADC和芯片级ADC。单斜ADC作为列级ADC的一种，相对于芯片级ADC，其对ADC速度要求降低；相对于像素级ADC，其提高了填充因子和图像传感器的光电转换效率[1]。
本文提出的单斜ADC结构简单，共用斜坡发生器和计数器的工作方式使得芯片面积小、功耗低，非常适用于对于列宽要求严格的图像传感器；但其缺点是速度慢，对于N位单斜ADC，实现一次模数转换需要2N个时钟周期，转换时间随ADC精度呈指数型增加。提高单斜ADC的速度有两种改进方式可供参考：多斜坡单斜ADC[2]和两步单斜ADC[3]。
12位单斜ADC的设计 2
第18卷第8期第18卷，第8期Vol.18，No.8电子与封装ELECTRONICS&PACKAGING总第184期2018年8月
12位单斜ADC的设计*
陈科全，唐鹤，郑炯卫，杨磊，甄少伟，张波
（电子科技大学，成都610054）
摘要：介绍的单斜ADC（Analog-to-DigitalConverter，ADC）应用于三维成像激光焦平面读出电路，将读出电路检测到的电压模拟信号转换为数字信号，便于后续的信号处理。根据焦平面阵列规格、对信号精度和速度的需求，选择采用单斜结构ADC，其中斜坡发生器和计数器两个模块可以所有列共用，每列只需一个比较器和寄存器。斜坡发生器采用分段电容阵列结构，大大减小了芯片面积。由于ADC精度较高，也对比较器进行了失调校准，同时提出了一种新结构，使得比较器输入范围扩大至轨到轨。提出的ADC基于0.18滋mCMOS工艺进行设计，输入电压量化范围为1.1V，量化精度为12位，转换速度为5kHz。关键词：ADC；单斜；分段电容；失调校准；轨到轨中图分类号：TN402文献标识码：A文章编号：1681-1070渊2018冤08-0013-04
Designof12-BitSingle-SlopeADC
CHENKequan,TANGHe,ZHENGJiongwei,YANGLei,ZHENShaowei,ZHANGBo渊UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu610054,China冤
Abstract:Thesingle-slopeADCproposedinthispaperisappliedtothethree-dimensionalimaginglaserfocal
planereadoutcircuit,whichconvertsthevoltageanalogsignaldetectedbythereadoutcircuitintoadigitalsignalforsubsequentsignalprocessing.Accordingtothefocalplanearrayspecifications,thesignalaccuracyandspeedrequirements,wechoosesingle-slopeADC.Becausetherampgeneratorandcountercanbesharedbyallcolumns,onlyonecomparatorandregistersisneededpercolumn.Therampgeneratorusesasplit-capacitorarraystructure,whichgreatlyreducesthechiparea.WealsocalibratethecomparatoroffsetduetohighaccuracyrequirementoftheADCandproposeanewstructurethatincreasesinputrangeofcomparatortorail-to-rail.TheADCproposedinthispaperisbasedon0.18滋mCMOSprocess,thequantizationprecisionis12bitswithinputvoltagequantizationrange1.1V,andtheconversionspeedis5kHz.Keywords:ADC;single-slope;split-capacitor;offsetcalibration;rail-to-rail
AD基本原理仿真
[1] 华光•电子技术基础（数字部分）（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2000:
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⑸李云•超高速高精度并行 ADC系统的设计与实现 1008- 0570（2008）07- 20307- 03
⑹高静姚素英徐江涛史再峰•高速并行10位模数转换电路的设计文章编号
0493-2137 （ 2010）06-0498-06
4.进度安排
设计（论文）各阶段名称 起止 日期
阅读至少20篇文献（10篇中文， 近五年文献为主），撰与文献综述 10篇英文，以 1 月 19 日—- 日 3月3
掌握该三种AD转换电路的原理 3月4日
日 3月20
设计该三种AD转换电路，并利用 Multisim 进行 3月20日一 4月1
仿真 日
搭建三种AD转换电路并对其性能进行分析 4月2日
日 5月11
撰写符合学校相关规定的毕业设计论文 5 月 11 日—- 日 6月1 AD基本原理仿真
摘要：目前，科学技术进步突飞猛进， 数字系统技术被广泛应用于生活的方方面 面，数字系统相对于模拟系统，显示出了其巨大的优势 。然而，由于数字系统并 不能够用于模拟信号的应用处理， 仅能够用于数字信号的处理， 但是，人们日常 生活生产当中， 很多物理量都是取值连续的模拟量， 如压力，温度，流量，速度， 距离等等。我们可以通过传感器将这些取值连续的物理量变成幅值或者频率连续 的电压量或者电流量。 然后在经过一个模数转换电路， 将模拟量转换成易于处理 的数字量。编码、量化、保持以及抽样是吧模拟信号转换成数字信号的四大步骤。 抽样通常都在特定的抽样-保持来完成，量化编码则在模数转换器（ADC中完成。 根据不同的原理，ADC也有不同的分类。压频变换型、并行比较型以及电容阵列 逐次比较型都是比较常见的类型，而逐次渐进型（逐次比较型） 、双积分型也是 较为常见的一种。文章对三种常见 AD转换器的原理，比如双积分型、并行比较 型以及逐次渐进型进行了重点研究。
基于Matlab流水线A／D转换器行为级模型建模与仿真
第２９卷第１期 ２Ｏ０６年３月 电子器件
ａｌｉ地 ＪｏＩ啦ｌ Ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄ ｉ嚆 Ｖｌｏ１．２９ Ｎｏ．１
Ｍａｒ．２００６
Ｂｅｈａｖｉｏｒａｌ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ ＡＤＣ Ｕｓｉｎｇ Ｍａｔｌａｂ
ＤＯＮＧＱｉｎｇ－Ｘｉａｎｇ
（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｏｆＴｈｅ Ｃｈｉｎ￣＃￣ＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅａｃ￣。Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００２９。Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ＡＤＣ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｍｅｔｈｏｄ
ｏｆ ｂｅｈａｖｉｏｒａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｂｙ ｕｓｉｎｇ Ｍａｔｌａｂ．Ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｍｏｄｕｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｍｏｄｅｌｅｄ
ｔｈｒｏｕｇｈ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ；ｍｅａｎｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｅｒｒｏｒｓ ｏｆ ｒｅａｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｒｅ ｔａｋｅｎ ｉｎｔｏ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ．Ａ ８－ｂｉｔ
ｐｉｐｅｌｉｎｅ ＡＤＣ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｉｄｅａｌ ＡＤｃ ａｎｄ ｒｅａｌ ＡＤｃ ｗｉｔｈ ｏｆｆｓｅｔｓ ｏｒ
ｅｒｒｏｒｓ ｉｓ ｒｅｐｏｒｔｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｉｐｅｌｉｎｅ ＡＤｃ；ｂｅｈａｖｉｏｒａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ￣Ｍａｔｌａｂ ’
ＥＥＡｏＣ：１２９０Ｂ
基于Ｍａｔｌａｂ流水线Ａ／Ｄ转换器行为级模型建模与仿真
董庆祥
（中国科学院微电子研究所，北京１０００２９）
摘 要：为了研究流水线Ａ／Ｉ）转换器的结构与性能。提出了一种完全采用Ｍａｔｌａｂ对流水线Ａ／Ｄ转换器进行行为级建模和
【高速中频采样和数字下变频的研究】第五章ADC性能仿真
— 77 —第五章 ADC性能仿真 本章旨在分析ADC转换器的结构，并建立ADC的模型和仿真系统。通过仿真检验Dither信号、噪声、采样时钟抖动以及ADC的非线性特性对ADC性能的影响。 第一节 A/D转换器的模型 ADC的作用是将一定幅度的模拟信号转换为相应的数字量，传递函数反映了它最基本的特征。理想的ADC传递函数是一个等间距的阶梯图，如第二章图2-1-2所示。由于实际的ADC存在非线性特性，所以它的传递函数是一个非等间距的阶梯图，如第二章图2-2-3所示。用公式表示其传递函数如下： 式（5-1-1）是理想ADC的传递函数；式（5-1-2）是实际ADC的传递函数，其中Yn是ADC的数字输出，X是模拟输入信号，LSB为最小量化电平， DNL(k)为微分非线性参数。从式（5-1-2）中可以看出，要想模拟实际ADC的特性，必须分析其结构，得出其非线性参数。 从ADC的结构上看，有逐次比较（successive approximation）式ADC、快闪（flash）式ADC、分级快闪（subranging flash）式ADC和 Σ-Δ式ADC等。要实现中频或射频采样，就必须采样高速大动态范围的ADC，而目前高速大动态范围的ADC都采用分级快闪式结构。这种ADC的结构如图5-1-1所示，它是一个两级流水线式结构。实际的ADC中还可以采用 S/H1N bit DACN bit ADCΣN bit ADC模拟输入+-高位输出低位输出S/H2S/H3 图5-1-1 分级快闪式ADC结构 三级流水线式结构。在图5-1-1表示的ADC中，模拟输入信号先被量化为N位数字量作为整个ADC的高位输出。这个N位数字量又被DAC转换为模拟量与输入信号相减，其差值被放大后再由另一个N位ADC转换为数字量作为整个ADC的低位输出。全部量化过程由时钟控制分时进行，每个阶段的模拟量分别由采样保持（S/H）电路保存，整个ADC按流水线式方式工作。这种结构的ADC实际上是由两个N位ADC组成，而中间由DAC、S/H、减法电路和放大电路将它们关联起来，从而构成一个2N位ADC，所以这种结构ADC的DNL体现为两个N位ADC的DNL特性的组合。在整体上DNL曲线由第一级ADC特性决定，而细节上又由第二个ADC)115(],)1[(;−−××−∈↔LSBnLSBnXwhenYnX)215()](;)()1[(;111−−+×+×−∈↔∑∑=−=nknkkDNLLSBnkDNLLSBnXwhenYnX
单粒子效应tcad数值仿真的三维建模方法 -回复
单粒子效应tcad数值仿真的三维建模方法 -回复
单粒子效应（Single Event Effects，简称SEE）是指在半导体器件中，由于单个带电粒子（如高能离子、中子等）的撞击和沉积能量，而引起的临时或永久性器件损伤或功能故障。为了更好地理解和预测SEE现象，TCAD数值仿真方法被广泛应用。本文将介绍一种使用TCAD进行单粒子效应三维建模的方法。
第一步：准备材料参数和器件结构
在进行TCAD数值仿真前，首先需要准备好材料参数和器件结构。具体来说，材料参数包括离子能损、注入介质厚度等信息，而器件结构则包括I/O引脚、两极结、敏感区域等。这些参数和结构的准确性对于仿真结果的精度至关重要。
第二步：建立三维模型
在建立三维模型时，可使用图形绘制软件（如Silvaco或Sentaurus等）进行建模。一般而言，三维模型的建立包括以下几个步骤：
1. 导入材料参数和器件结构：将前一步准备好的材料参数和器件结构导入TCAD仿真软件中。
2. 创建敏感区域：根据材料参数和器件结构，确定敏感区域的位置和大小。敏感区域是指粒子引起的效应最为突出的区域。 3. 创建几何体：根据器件结构，利用绘图工具创建几何体，包括导线、晶体管、电阻等。几何体的创建需要遵循器件的设计规则和几何特征，以确保模型的准确性。
4. 设置边界条件：为几何体设置边界条件，包括电场分布、注入电流等。边界条件的设置应基于材料参数和器件结构来进行。
第三步：网格划分
网格划分是对三维模型进行离散化处理的过程，它将连续的几何体划分为有限数量的小单元。合理的网格划分能够保证数值计算的准确性和仿真效率。划分网格时，一般采用三角形或四边形网格。
第四步：导入物理模型和参数
导入物理模型和参数是进行TCAD数值仿真的重要步骤。其目的是利用物理模型对材料中发生的物理现象进行数值求解，并通过调整参数来精确描述这些物理现象。常用的物理模型包括扩散模型、电场模型、载流子模型等。物理参数的选择应基于器件的工作原理和特性。
一种用于ADSL的高精度调制器的建模与仿真
第２７卷第３期 计算机仿真 ２０１０年３月
文章编号：１００６—９３４８（２０１０）０３—０３５７—０５
一种用于ＡＤＳＬ的高精度调制器的建模与仿真
王亮，李开航，李威
（厦门大学，福建厦门３６１００５）
摘要：要模数转换问题的研究中，介绍了∑一△调制器的过采样和噪声整形技术，为提高转换精度和速率，提出了一个采用
四阶级联结构和∑一△调制技术实现高精度的调制器的行为级模型，根据影响建模的各种非理想因素，对各种实际非理想
因素（例如开关热噪声、时钟抖动、运放的有限直流增益等）通过优化系统参数之后，可以得到一个用于ＡＤＳＬ设计中的高精
度∑一△调制器行为级模型。并在ＭＡＴＬＡＢ下对其仿真验证，结果表明为实际设计提供了依据。调制器在基带带宽１．
５ＭＨｚ、２４倍过采样率条件下，系统的信噪比达到８７ｄＢ，精确度可达１４比特。
关键词：过采样；噪声整形；级联结构；调制器 中图分类号：ＴＰ３９１．９ 文献标识码：Ｂ
Ｂｅｈａｖｉｏｒ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｈｉｇｈ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ
Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ ｆｏｒ ＡＤＳＬ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ
ＷＡＮＧ Ｌｉａｎｇ，ＬＩ Ｋａｉ—ｈａｎｇ，ＬＩ Ｗｅｉ
（Ｘｉａｍｅｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｍｅｎ Ｆｕｊｉａｎ ３６１００５，Ｃｈｉｎａ）
ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｏｖｅｒｓｈａｎｐｉｎｇ ａｎｄ ｎｏｉｓｅ—ｓｈａｎｇｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｓｉｇｍａ—ｄｅｌｔａ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ．Ｂｅ—
ｈａｖｉｏｒ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｓｉｇｍａ——Ｄｅｌｔａ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ４——ｒｄ Ｃａｓｃａｄｅ ａｎｄ ｓｉｇｍａ——ｄｅｌｔａ
ｍｏｄｕｌａｔｏｒ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ＡＤＳＬ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｎｏｎ—ｉｄｅａｌ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｐｅｒ—
第五章 ADC性能仿真
第五章 ADC性能仿真
本章旨在分析ADC转换器的结构，并建立ADC的模型和仿真系统。通过仿真检验Dither信号、噪声、采样时钟抖动以及ADC的非线性特性对ADC性能的影响。
第一节 A/D转换器的模型
ADC的作用是将一定幅度的模拟信号转换为相应的数字量，传递函数反映了它最基本的特征。理想的ADC传递函数是一个等间距的阶梯图，如第二章图2-1-2所示。由于实际的ADC存在非线性特性，所以它的传递函数是一个非等间距的阶梯图，如第二章图2-2-3所示。用公式表示其传递函数如下：
式（5-1-1）是理想ADC的传递函数；式（5-1-2）是实际ADC的传递函数，其中Yn是ADC的数字输出，X是模拟输入信号，LSB为最小量化电平， DNL(k)为微分非线性参数。从式（5-1-2）中可以看出，要想模拟实际ADC的特性，必须分析其结构，得出其非线性参数。
从ADC的结构上看，有逐次比较（successive approximation）式ADC、快闪（flash）式ADC、分级快闪（subranging flash）式ADC和 -式ADC等。要实现中频或射频采样，就必须采样高速大动态范围的ADC，而目前高速大动态范围的ADC都采用分级快闪式结构。这种ADC的结构如图5-1-1所示，它是一个两级流水线式结构。实际的ADC中还可以采用
S/H1N bit DACN bit ADCN bit ADC模拟输入+-高位输出低位输出S/H2S/H3
图5-1-1 分级快闪式ADC结构
三级流水线式结构。在图5-1-1表示的ADC中，模拟输入信号先被量化为N位数字量作为整个ADC的高位输出。这个N位数字量又被DAC转换为模拟量与输入信号相减，其差值被放大后再由另一个N位ADC转换为数字量作为整个ADC的低位输出。全部量化过程由时钟控制分时进行，每个阶段的模拟量分别由采样保持（S/H）电路保存，整个ADC按流水线式方式工作。这种结构的ADC实际上是由两个N位ADC组成，而中间由DAC、S/H、减法电路和放大电路将它们关联起来，从而构成一个2N位ADC，所以这种结构ADC的DNL体现为两个N位ADC的DNL特性的组合。在整体上DNL曲线由第一级ADC特性决定，而细节上又由)115(],)1[(;LSBnLSBnXwhenYnX)215()](;)()1[(;111nknkkDNLLSBnkDNLLSBnXwhenYnX第二个ADC的DNL特性所决定。图5-1-2是一个12位ADC的DNL曲线，DNL在总体上呈26周期规律变化，而每个周期的DNL又由第二个6位ADC的DNL特性所决定。
单斜率ADC行为级建模与仿真
单斜率ADC行为级建模与仿真
王婷婷;周云;于军胜;蒋亚东
【期刊名称】《微处理机》
【年(卷),期】2011(032)002
【摘 要】设计了一种基于Matlab Simulink的8bit单斜率型(single-slope)模数转换器(Analog-to-Digital Converter ADC)的系统模型,此模型充分考虑实际电路中存在的多种非理想效应.通过对一个8bit single-slope进行行为级仿真,对single-slope ADC的静态特性和动态特性进行了分析,得出的有效参数可以有效地指导实际电路的设计.%A system model of 8bit single- slope ADC is
presented based on Matlab Simulink. This kind of model has taken
electronic circuit' s many kinds of non - ideal effects on actual designing
into consideration. After the behavior level simulation of 8 bit single - slop
was carried out, ADC static characteristic and the dynamic characteristic
were analyzed. The results showed that obtained parameter could be
applied for the design of actual electric circuits.
【总页数】3页(P14-16)
【作 者】王婷婷;周云;于军胜;蒋亚东
【作者单位】电子科技大学光电信息学院,电子薄膜与集成器件国家重点实验室,成都610054;电子科技大学光电信息学院,电子薄膜与集成器件国家重点实验室,成都610054;电子科技大学光电信息学院,电子薄膜与集成器件国家重点实验室,成都610054;电子科技大学光电信息学院,电子薄膜与集成器件国家重点实验室,成都610054
14位80MSPS流水线结构模数转换器关键单元电路设计与研究的开题报告
14位80MSPS流水线结构模数转换器关键单元电路设计与研究的开题报告
1.选题背景
在数字信号处理中，模数转换器是将模拟信号转换成数字信号的关键器件之一。流水线结构作为一种高速ADC结构，已经被广泛应用于各种系统中。流水线ADC具有高速、高精度等优点，因此在航空航天、地球物理勘探、医疗设备等领域有着广泛的应用。
本文旨在研究流水线结构模数转换器中的关键单元电路设计，探究如何提高流水线ADC的精度和速度，为实际应用提供技术支持。
2.研究内容
本文主要研究以下内容：
1) 流水线结构模数转换器的基本原理和结构。
2) 关键单元电路的设计，包括比较器、放大器等电路的设计。通过对关键单元电路的设计，提高流水线ADC系统的精度和速度。
3) 采用基于Verilog HDL的数字电路设计技术，完成流水线结构模数转换器的Verilog模型设计和仿真分析。
4) 利用FPGA开发板搭建实验平台，验证所设计的流水线ADC的性能表现。
3.研究意义
本文的研究成果能够对提高流水线ADC的性能表现具有一定的实用价值。提高流水线ADC的精度和速度是实际应用中的一个重要需求，能够更好的满足各个应用场景的需要。本文的研究成果还为相关领域的发展提供一定的技术支持。
4.研究方法
本文的研究采用以下方法：
1) 文献阅读：收集国内外相关领域模数转换器的基础理论、设计方法及先进技术的文献，加强对研究领域的认识。
2) 设计关键单元电路：在理论分析基础上，采用基础电路和器件拓扑分析的方法设计关键单元电路，包括比较器、放大器等电路。 3) Verilog模型设计和仿真分析：在进行电路设计的基础上，采用Verilog HDL语言设计所需的模型，并进行仿真分析。
4) 实验验证：利用FPGA开发板搭建实验平台，验证所设计的流水线ADC的性能表现。
5.预期结果
本次研究预期能够得到以下结果：
1) 收集并掌握流水线结构模数转换器的基本原理和结构。