相关背景

摘要

模数转换器(Analog To Digital Converter，ADC)是数字模拟混合信号系统的关键器件之一。为研究探索ADC在特殊环境下的电学特性和器件参数，作出仿真预测，常常需要建立它的仿真模型。行为级建模特点是构建的模型既不会损失精确度和降低实用性，又节省仿真时间，缩短设计周期。但目前多数ADC的行为级模型只是功能的简单实现，或是针对特定类型的器件型号，并且只是对ADC工作时的某一方面特性进行分析和研究，不具备通用性，更不能综合描述ADC工作时各项性能参数的变化，给ADC综合高效的系统仿真带来了较大的困难。

本文针对ADC在特殊环境下的仿真建模需求，提出一种采用VHDL-AMS语言对ADC性能参数建立行为级模型的方法，通过该方法进行ADC的模块化建模，目的是为实现ADC各项性能参数的表征，以及模型的复用性，扩展性和可移植性。

模型是在SystemVision和Matlab中实现并仿真验证。验证结果表明，本文基于VHDL-AMS语言建立的ADC的性能参数模型能够正确表征ADC工作时的各项性能参数，并且该模型具有通用性和可扩展性，对以ADC为代表的集成电路数模混合信号系统设计仿真提供了参考价值。 关键字：ADC 行为级建模仿真 VHDL-AMS

第一章绪论

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第一章 绪论

随着集成电路加工工艺技术的逐步发展，ADC等集成器件在性能，功能和工艺等各方面都发生了很大的变化，并向小尺寸，高速化，低功耗，高可靠性和片内集成的方向发展。大规模，甚至超大规模集成电路俨然成为现代电路设计的趋势。不夸张地说，一块指甲大小的芯片上有可能集成上亿个晶体管。因此，面对越来越集成化，复杂化的系统，仿真技术成为系统设计，测试，诊断和可靠性保障的重要手段之一[1]。所谓仿真，就是建立电路中信号的传播模型结构来模拟真实系统的功能。仿真能极其方便，高效，经济地实现电路结构的优化设计，真实地反映系统特性。因此可以有效地缩短系统的开发周期，降低系统的开发费用，提高系统的综合性能，参与产品的市场竞争。对整个行业的发展有着重大的意义。

1.1 课题提出背景

随着数字信号处理能力和处理速度的提升，航天和军事等领域的信号处理及传输逐步由模拟信号控制过渡到数字信号控制。因此，越来越多的数字器件和集成电路可能工作在复杂特殊环境中，如军事的电磁干扰环境和航空航天的太空粒子环境，不可避免地受到环境的影响，很可能损伤这类器件的性能和可靠性，甚至完全失效，造成不可预估的后果。所以，为探索ADC受这些特殊环境的影响，对其在特殊环境下的电学特性和器件参数作出仿真预测，建立相应的器件和电路模型，从而为加固设计提供参考指导，成为本课题研究的关键内容。

电路仿真技术和计算机技术的发展是紧密相关的。从上世纪五六十年代起，计算机辅助分析，设计和优化逐渐成为电路研究人员关注的焦点。到七十年代早期，仿真设计已被广泛应用于电路印制前验证电路正确性的行为，当时的仿真主要是针对晶体管建立电压和电流模型通路来验证仿真系统的行为，这就是现在所谓的电路级仿真或模拟仿真。由于当时电路结构相对简单，集成化程度较低，所以仿真器最多只支持几百个集体管电路的模拟仿真。在计算机数字技术的发展和仿真规模不断扩大的大背景下，仿真器的功能变得越来越强大，其中由Berkeley

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基于VHDL-AMS的ADC建模与仿真

大学开发的SPICE(Simulated Program With Integrated Circuit Emphasis)通用电路分析程序在业界是最有名的。用Fortran语言编写了版本SPICE1和SPICE2，而版本 SPICE3用C语言编写。由于其高效稳定的电路仿真特性，SPICE已经成为美国电路仿真的国家标准，因此，目前市面上EDA公司的仿真工具，许多都是以SPICE为基础引擎来实现的。如GTRI公司的XSPICE，Meta-Software公司HSpice， NCSS公司的I-SPICE，Cadence公司的OrCAD，IIT公司的EMB/Multisim和Altium公司的Protel。所以SPICE也成为了事实上公认的电路仿真世界标准。

但是，随着集成电路加工工艺技术的持续发展，单一芯片实现完整复杂电路系统成为趋势，而且系统已不是单一模拟信号或者数字信号，而是发展成数字模拟混合信号系统。那么SPICE，Cadence等模拟仿真器面对这样的混合电路系统表现出了越来越明显的局限性。因为电路级仿真如此复杂的电路不仅设计成本变高，而且会消耗大量的仿真时间，造成效率下降。

为解决上述问题，本文采用行为级建模思想，主要对ADC的行为级建模方法进行了深入研究。行为级仿真并不局限于内部电路的实现细节，只是根据电路中各模块输入输出关系通过数学表达式和算法描述电路的行为，就能仿真电路的功能，确定指标参数，其优势就是构建的模型既不会损失精确度和降低实用性，又节省仿真时间，缩短设计周期。这种方法被证明证明是行之有效的。

1.2 国内外发展现状

为研究ADC电学特性和参数特性，国内外学者对ADC行为级建模仿真方面进行了大量的基础研究工作，取得了不少成果：

文献[2]建立了两种基于VHDL-AMS的管道型ADC(pipeline ADC)：简单地理想化行为描述模型和带有一定的实际参数细节模型，并通过仿真对比二者的有效位数，表明越是复杂和接近实际的模型越能精确表征ADC的性能，同时又与基于SPICE的晶体管级模型在仿真时间上进行对比，表明在满足工程需求的情况下，行为级建模比晶体管级建模更高效省时，这恰好符合上述理论描述。

文献[3]描述了一种基于VHDL-AMS的Σ-Δ型ADC行为级模型，详细介绍分

第一章绪论

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析了Σ-Δ型ADC的结构原理和组成。对于ADC的每个模块都建立了对应的VHDL-AMS模型。但是在联合验证模型时，只是给出Σ-Δ型ADC的两个参数—信噪比和谐波失真的仿真结果，对于其他参数如分辨率，量化误差等并未涉及。

文献[4]同样也建立了一种Σ-Δ型ADC的行为级模型，不同之处是在模型中加入一定的噪声源并仿真出噪声对模型输出频谱的影响，并作了分析，主要是为了阐述Σ-Δ型ADC行为级模型对噪声的抗干扰能力。

文献[5]主要提出一种用于混合信号仿真设计分析系统的方法，该系统能够实现从Matlab/Simulink模型或代码到SystemVision的自动植入，甚至可以自动生成仿真文件用于分析模型。并且还在Matlab/Simulink中建立了DAC08，AD7524和AD50等转换的模型，成功的自动生成基于VHDL-AMS的模型，并在SystemVision中仿真验证模型。但是此文所提出的这套方法最大的不足是系统复杂，可移植性差。

ADC在特殊环境下参数性能的变化研究，国外很早就做了大量的研究[6,7,8,9]。但是研究的对象仅仅局限在逐次逼近型(SAR)结构，Σ-Δ结构或者Flash结构等几个不同架构的ADC，并且所做的只是对实验现象的罗列，或者从宏观应用角度对器件的性能做了一定的分析比较，缺乏特殊环境对器件影响内部规律的研究。国内对该领域的研究起步较晚，前期主要研究方向是对测试方法的建立[10,11]。但近几年对于器件损伤效应和机理的研究方面也取得了不小的研究成果[12,13]。

上述基于VHDL-AMS语言的ADC模型大多只是针对特定类型建模，不具备通用性；另外，建立的基于VHDL-AMS语言的ADC模型只是对其工作时的某一方面参数进行分析和研究，不能综合描述ADC工作时各项性能参数(如分辨率，偏移误差，信噪比等)的变化。

1.3 本文研究内容及章节安排

针对上述问题，本文通过对各类ADC的工作原理和基本组成单元模块分析归纳，建立了一个统一的通用的ADC行为级模型，该模型最主要的特点是能够全面准确地表征ADC绝大部分性能参数，目的是当加入ADC特殊环境效应数据后，

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基于VHDL-AMS的ADC建模与仿真

能够精确可靠地反映出器件的损伤规律，清楚客观地体现器件各项性能参数的影响，为器件在特殊条件下的设计和使用，提供一个有价值的参考。对于上述研究目的，本文结构安排如下：

本文共分为六章内容：

第一章总体介绍了本文研究领域的背景，以及该领域发展研究现状。明确了本文研究的主要内容以及研究的价值意义。

第二章介绍了在电路系统中行为级建模的思想和几种方法，重点分析了建立行为级模型所使用的VHDL-AMS语言及其新特性，并对建模平台SystemVision和Simulink做了简要介绍。

第三章首先详细介绍了ADC的工作机制，然后列举了ADC的分类和各自优缺点，最后深入分析ADC的各项静态和动态性能参数。

第四章通过ADC的原理和组成，在分析了Simulink中模型的特点后，建立出逐次逼近型ADC的VHDL-AMS模型，分析了模型的特性，并仿真验证。

第五章为保证模型能够匹配各种类别的ADC，建立了一个通用ADC模型，概括了该模型的几个特性，实现了表征ADC性能参数的设计要求，对仿真结果作了分析，并把模型运用于一个简单电路中，进一步验证了模型。

第六章总结展望。总结论文的主要工作成果，并分析了模型中存在的不足以及改进的可能性，展望了以后的工作方向。

参考文献

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