尹士暢，喻松林，于 艷

(華北光電技術(shù)研究所，北京100015)

1 引言

近年來，為了提高紅外焦平面陣列輸出信號(hào)的信噪比，以及線列型焦平面陣列的掃描速度，人們?cè)絹碓絻A向于在讀出電路的選擇上采用時(shí)間延遲積分TDI(time delay integration)的結(jié)構(gòu)［1－3］。同時(shí)逐次逼近(successive approximation register，SAR)型 ADC也由于其轉(zhuǎn)換速率快、面積小、功耗低在許多便攜式以及低功耗場(chǎng)合中應(yīng)用越來越廣泛。本文提出了一種將SAR型ADC應(yīng)用于線列TDI型紅外焦平面的電路設(shè)計(jì)，并通過電路仿真得到了很好的結(jié)果。

2 TDI結(jié)構(gòu)和逐次逼近型ADC的簡(jiǎn)介

2．1 TDI

TDI的結(jié)構(gòu)如圖1所示，TDI結(jié)構(gòu)需要一行n個(gè)紅外探測(cè)器像元，其中n表征TDI的級(jí)數(shù)。在線列型紅外焦平面陣列在掃描的過程中，該n個(gè)紅外探測(cè)器像元在不同的時(shí)刻探測(cè)同一位置，最后將n個(gè)探測(cè)器像元的信號(hào)累加［4－6］。我們總是假定在不同的時(shí)間內(nèi)，各個(gè)像元上的噪聲都是非相關(guān)噪聲，那么根據(jù)多相關(guān)采樣原理，經(jīng)過n個(gè)像元的數(shù)據(jù)累加之后，總信號(hào)的信噪比是單個(gè)像元信噪比的倍，從而提高了信號(hào)的信噪比。雖然是多個(gè)像元的數(shù)據(jù)的累加，但是通過在TDI結(jié)構(gòu)中插入存儲(chǔ)單元(可以是模擬存儲(chǔ)或者是數(shù)字存儲(chǔ))，便構(gòu)成了流水線結(jié)構(gòu)，使得數(shù)據(jù)的輸出速率很高，整個(gè)系統(tǒng)的掃描頻率也可以提高。

圖1 TDI結(jié)構(gòu)圖

2．2 SAR 型ADC

SAR型ADC是眾多ADC結(jié)構(gòu)中的一種，該結(jié)構(gòu)的ADC最大的特點(diǎn)就是面積小、低功耗并且轉(zhuǎn)換速率相對(duì)比較高。該結(jié)構(gòu)通過特定的搜索算法來逐步確定轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量的各位的權(quán)重值，從而完成一次模數(shù)轉(zhuǎn)換。最基本的逐次逼近型的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 SAR型ADC結(jié)構(gòu)圖

該結(jié)構(gòu)由一個(gè)比較器、一個(gè)采樣保持器和一個(gè)DAC組成。在圖2的結(jié)構(gòu)中DAC通常選擇用電容陣列來實(shí)現(xiàn)。但是常規(guī)的電容陣列較大，造成面積和功耗相對(duì)較高，難以很好地集成在紅外焦平面讀出電路內(nèi)。同時(shí)考慮電容匹配受到工藝的限制，該類型的ADC位數(shù)增加時(shí)引起的非線性等因素，都限制了常規(guī)的SAR型ADC在紅外焦平面讀出電路中的使用。

3 兩步式ADC的TDI結(jié)構(gòu)

3．1 兩步式權(quán)重搜索算法

兩步式逐次逼近［7］的原理如圖3所示，與基本的逐次逼近型的ADC不同，該結(jié)構(gòu)中每個(gè)電容的信號(hào)輸入端由原來的兩個(gè)輸入增加到四個(gè)輸入0 V

圖3 兩部式逐次逼近ADC原理

在采樣階段，首先SW1導(dǎo)通，通過采樣電容進(jìn)行電壓采樣。在采樣完成后，打開SW1，閉合SW0，對(duì)于C6參考電壓選擇VREFP2，其余電容參考電壓選擇為VGND，如果比較器輸出為1，則獲得D11的權(quán)重值為1，否則為0。依照此方法按照從高到低的順序依次獲得高6位的權(quán)重值。在獲得了高6位的數(shù)據(jù)之后，按照從高位到低位的次序依次獲得各數(shù)據(jù)位的權(quán)重，具體方法為:如果D11為1，則參考電壓選擇VREFP1，如果D11為0，則參考電壓選擇為 VREFP1，此時(shí)比較器的輸出值即為D5的權(quán)重值。同時(shí)在D11為1的情況下，如果D5為1，則C6的輸入接所選擇的參考電壓為VREFP1，如果D5為0，則將該電容接VGND;相反，在D11為0的情況下，如果D5為1，則C6的輸入接所選擇的參考電壓為VREFN1，如果D5為0，則將該電容接VGND。按照此算法，便可以依次搜索低幾位的權(quán)重值直到得出數(shù)字轉(zhuǎn)換值。

該種結(jié)構(gòu)的最大的特點(diǎn)就是通過電容的復(fù)用極大的減小了電容的面積，從而降低了SAR型ADC的動(dòng)態(tài)功耗［8］，使得該結(jié)構(gòu)可以很好的應(yīng)用于紅外焦平面的數(shù)字化電路中。分析SAR型ADC的功耗主要在于電容陣列的動(dòng)態(tài)功耗和比較器的功耗。其中電容陣列的最大功耗為:

經(jīng)過電容復(fù)用的電容陣列，單位電容C選為50 fF，SMIC18工藝下電源電壓 VDD選為1．8 V，在轉(zhuǎn)換速率 f為500 kHz的情況下，電容最大功耗PCmax為0．7μW，電容功耗只相當(dāng)于文獻(xiàn)［9］中的常規(guī)搜索方法的幾百分之一，極大地降低了電容陣列的動(dòng)態(tài)功耗。相比較文獻(xiàn)［7］中的設(shè)計(jì)，由于只設(shè)計(jì)了12位的ADC，因此可以保證參考源的精度要求，從而減少了校準(zhǔn)電路的開銷。

3．2 SAR型ADC構(gòu)成的TDI結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的TDI結(jié)構(gòu)是通過在模擬域?qū)⑾裨盘?hào)的信息相疊加的方法，提高整個(gè)焦平面陣列的性噪比。本文以1024×32元的TDI為例，采用的結(jié)構(gòu)如圖4所示，TDI的處理部分在數(shù)字域完成。考慮到32級(jí)TDI可以提高 4倍的信噪比，故設(shè)計(jì)中采用12 bit的SAR型ADC，該ADC依次對(duì)單個(gè)顯示像元所對(duì)應(yīng)的32個(gè)物理像元進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后將各個(gè)像元的值在數(shù)字域進(jìn)行疊加，疊加結(jié)果以16 bit輸出。該結(jié)構(gòu)不但實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)波器件在較短的積分時(shí)間內(nèi)完成模數(shù)轉(zhuǎn)換的功能，同時(shí)降低了由于ADC在轉(zhuǎn)換過程中帶來的噪聲的影響。相比較傳統(tǒng)的在模擬域進(jìn)行數(shù)字TDI的方法，減少了模擬域的加法器和除法器的各種誤差所帶來的精度和噪聲方面的影響，更好地降低了整個(gè)系統(tǒng)的功耗的同時(shí)完成了整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)字化讀出。而且，由于轉(zhuǎn)換時(shí)間快，轉(zhuǎn)換結(jié)果在數(shù)字域存儲(chǔ)，對(duì)于Memory部分稍加改動(dòng)就可以完成長(zhǎng)波器件的多小幀積分，對(duì)于長(zhǎng)波器件難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間積分提供了新的思路。

圖4 SAR型ADC整體結(jié)構(gòu)

4 仿真結(jié)果分析

4．1 線性度分析

通過給電路加斜坡電壓來仿真整個(gè)ADC系統(tǒng)的線性度，如圖5所示為整個(gè)ADC的微分非線性，在整個(gè)16 bit的碼值輸出范圍，ADC的DNL都可以保持在±1 LSB的范圍內(nèi)，從而可以很好地保持系統(tǒng)的單調(diào)性。

圖5 ADC的微分非線性(DNL)

整個(gè)ADC的積分非線性(INL)如圖6所示，在整個(gè)碼值的輸出范圍內(nèi)，INL都合理地控制在±1 LSB范圍內(nèi)。中間值處的非線性偏大，是由于電容陣列中的 mismatch引起來的，但是 SMIC 0．18μm工藝下，當(dāng)電容尺寸大于10μm2時(shí)精度可以達(dá)到0．03%，從而保證在12 bit的情況下，INL值不超過±1 LSB。

圖6 ADC的積分非線性(INL)

4．2 SNR 分析

通過給電路加正弦波電壓信號(hào)，電壓信號(hào)不包含噪聲信息，只測(cè)試電路的性能。采樣后的信號(hào)的頻譜如圖7所示，雖然單個(gè)ADC的采樣率可以達(dá)到1 MHz，但是對(duì)于單個(gè)像元的轉(zhuǎn)換速率只達(dá)到了30 K。從仿真結(jié)果可以看出，SFDR可以達(dá)到90 dB，整個(gè)讀出電路最高可以達(dá)到80．2 dB的信噪比。對(duì)于長(zhǎng)波器件而言，32μs的積分時(shí)間下器件的信噪比遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于該電路的信噪比，所以讀出電路對(duì)于長(zhǎng)波線列型紅外焦平面具有很好的應(yīng)用前景。

圖7 采集信號(hào)頻譜

4．3 功耗分析

經(jīng)過仿真后，整個(gè)電路(32個(gè)物理像元，一個(gè)顯示像元)的最大功耗為230μW，其中功耗的最大來源在于比較器的功耗，由于采用了兩步式SAR型結(jié)構(gòu)，電容陣列的動(dòng)態(tài)功耗最高值為1μW，很好地驗(yàn)證了之前的理論分析。從而可以看出，該種結(jié)構(gòu)在功耗方面可以很好的滿足紅外焦平面器件低功耗的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

通過對(duì)于兩步式SAR型ADC和長(zhǎng)波線列型紅外焦平面的技術(shù)分析，以及實(shí)際上電路上模型的仿真可以看出，將兩者相結(jié)合的讀出電路，不但完成了長(zhǎng)波積分器件在較短積分時(shí)間內(nèi)完成數(shù)字化，而且相比較模擬讀出的讀出電路電路而言，提高了精度和噪聲性能，相比較對(duì)于長(zhǎng)波線列型紅外焦平面數(shù)字化技術(shù)提供了一個(gè)新的思路。

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