一种应用于X射线探测器的像素级循环型ADC的设计

发布时间：2020-06-30 17:19

【摘要】：X射线探测器是一种能将宇宙中肉眼看不见的X射线辐射能量转换为数字信号的装置。由于X射线具有很强的穿透性,因此X射线探测器被广泛应用于医疗成像、海关检查和宇宙观测中。X射线探测器的主要单元有信号探测电路、数据读出电路和数字信号处理模块。在X射线探测器的数据读出系统,与芯片级读出电路和列级读出电路不同的是,像素级数据读出电路需要像素单元匹配。对于h行h列的像素阵列,需要h×h个数据读出电路,这对读出电路的面积和功耗设计提出了挑战。模数转换器(Analog-to-DigitalConverter,ADC)作为像素级读出电路中连接模拟信号和数字信号的模块,同样地,低功耗和小面积成为像素级模数转换器研究与设计的难题。为了满足10kHz帧频、64×64像素阵列的X射线探测器数字读出电路对小面积和低功耗ADC的要求,本文先对ADC建立理想模型,确定采用循环型模数转换器(Cyclic ADC)架构设计低功耗和小面积的ADC。然后在理想模型中加入非理想因素建模,定量地分析热噪声和电容失配对ADC的影响。在确定ADC的架构后,根据设计指标研究并实现了一种12位,采样频率为31kHz的循环型模数转换器(CyclicADC)。为了减小ADC的面积、降低ADC的功耗,系统设计上采用运放共享技术,减少电容和运放的使用量。本文设计和实现的循环型模数转换器基于SMIC的CMOS工艺。电路和版图设计完成后,在3.3V电源电压和31kHz的采样速率的条件下对ADC进行仿真,后仿真结果表明,ADC的有效位数达到11.63位,信噪比为72.14dB,无杂散动态范围为85.86dB,信噪失真比为71.76dB。其中面积和功耗达到了 ADC的设计指标,ADC的整体版图面积为119um×75um,功耗为0.11mW。
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN792
【图文】：

，由数字电路实现的。模数转换器作为连接模拟电路与数字电路的桥梁，在芯片集逡逑成化曰益增强的今天，发挥着其重要的作用。逡逑目前市场上有许多应用于不同场合的的模数转换器，过采样型模数转换器［｜］逡逑（Ｓｉｇｍａ－Ｄｅｌｔａ邋ＡＤＣ）因其高精度的特点常被应用于精密医疗器械、音频系统和逡逑高分辨率工业控制系统等领域；逐次逼近型模数转换器Ｗ邋（ＳＡＲＡＤＣ）因其低功逡逑耗的特点，在电能计量、手持式医疗设备和数据采集系统等领域应用比较广泛；逡逑流水线模数转换器［３］邋（Ｐｉｐｅｌｉｎｅ邋ＡＤＣ）因兼具高速、中高等精度的特点常被应用逡逑于图像处理、信号传输系统和数字基站等领域；循环型模数转换器［４］邋（Ｃｙｃｌｉｃ逡逑ＡＤＣ）因其小面积、低功耗的特点，常被应用于图像处理器和信号探测器的读逡逑出电路中。逡逑图丨．丨所示为３ｘ３像素阵列的Ｘ射线探测器（Ｘ－ｍｙ邋Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）的结构示意图，逡逑Ｘ射线探测器数据读出电路主要由电容反馈跨阻放大器（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ逡逑Ｔｒａｎｓ－ｉｍｐｅｄａｎｃｅ邋Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ＣＴＩＡ）、相关双采样电路（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ邋Ｄｏｕｂｌｅ邋Ｓａｍｐｌｉｎｇ，逡逑ＣＤＳ）和模数转换器等构成。其中数字读出电路懫用像素级ＡＤＣ输出，因此对逡逑ＡＤＣ的功耗和面积的要求提出了挑战。本文根据系统对ＡＤＣ的低功耗、小面积逡逑的要求，研究并实现了一种１２位３１ＫＳＰＳ的低功耗小面积的循环型模数转换器。逡逑

２．１模数转换器的基本原理逡逑模数转换器作为连接模拟世界和数字世界的纽带，是现代信号处理中不可或逡逑缺的电路模块。图２．１为ＷｂｉｔＡＤＣ的转换过程。ＡＤＣ的基本转换过程分为三步：逡逑采样保持、信号处理和量化编码，对于不同种类的ＡＤＣ，信号处理的方式不同。逡逑ＡＤＣ对前级提供的连续的模拟信号进行一定时间间隔的采样，再将离散的、稳逡逑定的模拟信号保持一段时间后，传送到后级进行信号处理和量化，输出量化后的逡逑数字信号供后级数字电路进行处理。逡逑—＾￣￣ｊ邋采样邋｜￣Ｓａ＜＾｜邋Ｍｆｔ邋｜邋Ｃ0ｄｅ＜ｎ：0＞－逡逑％邋Ｘ邋Ｘ逡逑图２．１邋ＡＤＣ基本转换过程逡逑ＡＤＣ的模拟量与数字量对应关系如图２．２所示。为了保证转换的完整性，逡逑对于一个ＴＶｂｉｔ的ＡＤＣ，量化对应数字码，量化区间为２Ｗ－１个。其中图２．２逡逑中的横坐标的每一小格表征ＡＤＣ的分辨率，ＡＤＣ的分辨率表示ＡＤＣ能分辨的逡逑最小的模拟量的变化，一般以最低有效位ＬＳＢ来表示分辨率，ＡＤＣ许多重要的逡逑指标都与分辨率相关。逡逑逦１逦１逦１逦１逦１逦１逦１逦１逡逑Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦ＩＩＩ逡逑Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦翁扁逦Ｉ逡逑１１１逦１逦１逦１逦１逦１逦１－－邋Ｉ逦１逦＜逡逑Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦ＩＩＩ逡逑Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦ＩＩＩ逡逑１邋ｌ0逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦ｌ＿＿

【参考文献】

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本文编号：2735584