【摘要】：X射線探測器是一種能將宇宙中肉眼看不見的X射線輻射能量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的裝置。由于X射線具有很強的穿透性,因此X射線探測器被廣泛應用于醫(yī)療成像、海關檢查和宇宙觀測中。X射線探測器的主要單元有信號探測電路、數(shù)據(jù)讀出電路和數(shù)字信號處理模塊。在X射線探測器的數(shù)據(jù)讀出系統(tǒng),與芯片級讀出電路和列級讀出電路不同的是,像素級數(shù)據(jù)讀出電路需要像素單元匹配。對于h行h列的像素陣列,需要h×h個數(shù)據(jù)讀出電路,這對讀出電路的面積和功耗設計提出了挑戰(zhàn)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-DigitalConverter,ADC)作為像素級讀出電路中連接模擬信號和數(shù)字信號的模塊,同樣地,低功耗和小面積成為像素級模數(shù)轉(zhuǎn)換器研究與設計的難題。為了滿足10kHz幀頻、64×64像素陣列的X射線探測器數(shù)字讀出電路對小面積和低功耗ADC的要求,本文先對ADC建立理想模型,確定采用循環(huán)型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Cyclic ADC)架構(gòu)設計低功耗和小面積的ADC。然后在理想模型中加入非理想因素建模,定量地分析熱噪聲和電容失配對ADC的影響。在確定ADC的架構(gòu)后,根據(jù)設計指標研究并實現(xiàn)了一種12位,采樣頻率為31kHz的循環(huán)型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(CyclicADC)。為了減小ADC的面積、降低ADC的功耗,系統(tǒng)設計上采用運放共享技術,減少電容和運放的使用量。本文設計和實現(xiàn)的循環(huán)型模數(shù)轉(zhuǎn)換器基于SMIC的CMOS工藝。電路和版圖設計完成后,在3.3V電源電壓和31kHz的采樣速率的條件下對ADC進行仿真,后仿真結(jié)果表明,ADC的有效位數(shù)達到11.63位,信噪比為72.14dB,無雜散動態(tài)范圍為85.86dB,信噪失真比為71.76dB。其中面積和功耗達到了 ADC的設計指標,ADC的整體版圖面積為119um×75um,功耗為0.11mW。
【學位授予單位】：湘潭大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN792
【圖文】：

，由數(shù)字電路實現(xiàn)的。模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為連接模擬電路與數(shù)字電路的橋梁，在芯片集逡逑成化曰益增強的今天，發(fā)揮著其重要的作用。逡逑目前市場上有許多應用于不同場合的的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，過采樣型模數(shù)轉(zhuǎn)換器［｜］逡逑（Ｓｉｇｍａ－Ｄｅｌｔａ邋ＡＤＣ）因其高精度的特點常被應用于精密醫(yī)療器械、音頻系統(tǒng)和逡逑高分辨率工業(yè)控制系統(tǒng)等領域；逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器Ｗ邋（ＳＡＲＡＤＣ）因其低功逡逑耗的特點，在電能計量、手持式醫(yī)療設備和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等領域應用比較廣泛；逡逑流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器［３］邋（Ｐｉｐｅｌｉｎｅ邋ＡＤＣ）因兼具高速、中高等精度的特點常被應用逡逑于圖像處理、信號傳輸系統(tǒng)和數(shù)字基站等領域；循環(huán)型模數(shù)轉(zhuǎn)換器［４］邋（Ｃｙｃｌｉｃ逡逑ＡＤＣ）因其小面積、低功耗的特點，常被應用于圖像處理器和信號探測器的讀逡逑出電路中。逡逑圖丨．丨所示為３ｘ３像素陣列的Ｘ射線探測器（Ｘ－ｍｙ邋Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）的結(jié)構(gòu)示意圖，逡逑Ｘ射線探測器數(shù)據(jù)讀出電路主要由電容反饋跨阻放大器（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ逡逑Ｔｒａｎｓ－ｉｍｐｅｄａｎｃｅ邋Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ＣＴＩＡ）、相關雙采樣電路（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ邋Ｄｏｕｂｌｅ邋Ｓａｍｐｌｉｎｇ，逡逑ＣＤＳ）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等構(gòu)成。其中數(shù)字讀出電路懫用像素級ＡＤＣ輸出，因此對逡逑ＡＤＣ的功耗和面積的要求提出了挑戰(zhàn)。本文根據(jù)系統(tǒng)對ＡＤＣ的低功耗、小面積逡逑的要求，研究并實現(xiàn)了一種１２位３１ＫＳＰＳ的低功耗小面積的循環(huán)型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。逡逑

２．１模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本原理逡逑模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為連接模擬世界和數(shù)字世界的紐帶，是現(xiàn)代信號處理中不可或逡逑缺的電路模塊。圖２．１為ＷｂｉｔＡＤＣ的轉(zhuǎn)換過程。ＡＤＣ的基本轉(zhuǎn)換過程分為三步：逡逑采樣保持、信號處理和量化編碼，對于不同種類的ＡＤＣ，信號處理的方式不同。逡逑ＡＤＣ對前級提供的連續(xù)的模擬信號進行一定時間間隔的采樣，再將離散的、穩(wěn)逡逑定的模擬信號保持一段時間后，傳送到后級進行信號處理和量化，輸出量化后的逡逑數(shù)字信號供后級數(shù)字電路進行處理。逡逑—＾￣￣ｊ邋采樣邋｜￣Ｓａ＜＾｜邋Ｍｆｔ邋｜邋Ｃ0ｄｅ＜ｎ：0＞－逡逑％邋Ｘ邋Ｘ逡逑圖２．１邋ＡＤＣ基本轉(zhuǎn)換過程逡逑ＡＤＣ的模擬量與數(shù)字量對應關系如圖２．２所示。為了保證轉(zhuǎn)換的完整性，逡逑對于一個ＴＶｂｉｔ的ＡＤＣ，量化對應數(shù)字碼，量化區(qū)間為２Ｗ－１個。其中圖２．２逡逑中的橫坐標的每一小格表征ＡＤＣ的分辨率，ＡＤＣ的分辨率表示ＡＤＣ能分辨的逡逑最小的模擬量的變化，一般以最低有效位ＬＳＢ來表示分辨率，ＡＤＣ許多重要的逡逑指標都與分辨率相關。逡逑邐１邐１邐１邐１邐１邐１邐１邐１逡逑Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐ＩＩＩ逡逑Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐翁扁邐Ｉ逡逑１１１邐１邐１邐１邐１邐１邐１－－邋Ｉ邐１邐＜逡逑Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐ＩＩＩ逡逑Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐ＩＩＩ逡逑１邋ｌ0邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐ｌ＿＿

【參考文獻】

相關期刊論文 前2條

1 姜兆瑞;姚素英;高靜;;應用于CMOS圖像傳感器的低功耗電容縮減循環(huán)ADC[J];電子技術應用;2014年02期

2 韓燁;李全良;石匆;吳南健;;A 10-bit column-parallel cyclic ADC for high-speed CMOS image sensors[J];Journal of Semiconductors;2013年08期

相關博士學位論文 前2條

1 尹睿;高精度、低功耗流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的研究與設計[D];復旦大學;2010年

2 張娜;超高速數(shù)字CMOS圖像傳感器關鍵技術研究[D];天津大學;2008年

相關碩士學位論文 前4條

1 胡鵬飛;MEMS加速度計開環(huán)檢測電路的設計[D];湘潭大學;2015年

2 蔡根旺;高速流水線A/D轉(zhuǎn)換器的采樣保持電路設計研究[D];西安電子科技大學;2012年

3 傅玲;流水線ADC中采樣保持電路的研究與設計[D];西安電子科技大學;2012年

4 舒光華;65nm工藝下12比特50兆赫茲流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器設計研究[D];復旦大學;2011年

本文編號：2735584