应用于X-ray安检系统的高性能Sigma-Delta调制器的设计

贾世杰，刘 宏，汪明亮，田 彤

（1.中科院上海微系统与信息技术研究所 上海200000；2.上海科技大学 上海200000）

应用于X-ray安检系统的高性能Sigma-Delta调制器的设计

贾世杰1，2，刘 宏1，汪明亮1，田 彤1

（1.中科院上海微系统与信息技术研究所 上海200000；2.上海科技大学 上海200000）

为了能处理X-ray安检系统中微弱的探测信号，需要设计一款精度高达14 bit的调制器。文中采取了三阶Sigma-Delta调制器结构，该调制器采用过采样和噪声整形技术来实现高精度，在信号带宽20 kHz，过采样率256，时钟10.24 MHz的情况下，Matlab Simulink建模仿真结果表明，该调制器SNR可以达到104.6 dB，精度可达17 bit。通过对调制器非理想性分析，采用TSMC0.25μm工艺实现整个调制器的管级电路，并通过Cadence Spectre后仿真，仿真结果SNR可达到98 dB，即精度为16 bit，满足X-ray安检系统14 bit的精度要求。

X-ray；高精度；Sigma-Delta；Matlab；Simulink

X-ray装置已被证实具有揭示物质分子或原子特性的能力，能够很好地对违禁品进行检测。与其他技术的安检设备相比，基于X-ray的安检设备，性能优越，成本低，辐射剂量小，同时又满足各检查站旅客流量的需要。因此，基于X-ray射线的安检设备在全世界得到了最广泛的应用[1]。数据采集模块[2]作为X-ray安检系统中最为重要的模块，它一般由线阵探测器、积分器、ADC、FPGA逻辑处理以及工控机几个模块组成，其基本原理是线阵探测器将X射线转换成电信号，通过积分器积分放大后，将信号传输至ADC进行模数转换，最后由FPGA主芯片和工控机进行图像处理和显示，其中ADC的性能决定了整个数据采集模块的性能。

由于探测器的输出电流信号，非常微弱，仅有10 pA～10 nA，为了保证采样精度，则数据采集模块中的ADC也要有很高的分辨率。传统的ADC[3]由于器件匹配和电路的非理想性，分辨率被限制在10～12 bit之间；而Sigma-delta ADC对器件的不匹配效应不敏感，更适合高精度的实现。Sigma-delta调制器作为Sigma-delta ADC的核心部分，它采用过采样技术和噪声整形技术来实现高精度。因此这里设计一款满足性能要求的Sigma-delta调制器，主要从系统建模，参数选定，稳定性分析等方面来实现调制器整体电路的设计与仿真。

1 调制器行为级系统设计

1.1 结构选择

目前Sigma-delta调制器结构有多种多样，根据整个数据采集系统对ADC14 bit的指标要求，调制器结构选择主要有级联和高阶单环一位这两种选择。级联结构需要添加补偿电路来实现高精度，从而使电路更加复杂，而且该结构对器件的失配性比较敏感，而高阶单环一位结构，它能够以相对简单的电路以及适中的采样率获得较高的精度和线性度，而且通过这些年的研究，系统的稳定性上也有了一些经验依据可用，因此综合考虑整个X-ray数据采集系统电路复杂度、功耗以及芯片面积等因素，本文设计的调制器结构采用三阶单环一位结构[4]，具体结构框图如图1所示。

图1 调制器结构

1.2 稳定性分析

该调制器结构是多个积分器和一个一位量化器级联，其间使用输入前馈，以及输出反馈。输入信号首先通过过采样技术进行频带拓宽，然后经过量化器量化后的信号反馈到各个积分器的输入端进行噪声整形，从而降低了在信号带宽内的量化噪声，提高了信噪比。结构中的输入前馈系数和输出反馈系数对防积分器的过载、噪声整形以及系统稳定性有着重大的影响。

三阶（含）以上Sigma-delta调制器是条件稳定的，根据李氏标准[5]。可知，一位高阶Sigma-delta调制器稳定的条件是maxω|H（ejω）|<1.5，其中NTF=H（z）。利用DSToolbox[6]中的synthesizeNTF函数可以求出三阶结构且OSR为256的NTF，其带外最大增益如图2所示为3.49 dB，即maxω|H（ejω）|=1.49<1.5，满足系统稳定性条件。根据确定的NTF来计算和仿真，可以得出前馈系数a1，a2，a3分别是0.14、0.2、0.5，反馈系数b1，b2，b3分别是0.14、0.15、0.5。

图2 噪声传递函数的幅频特性曲线

1.3 模型设计和行为仿真结果

本设计的非理想模型[7]如图3所示。考虑了时钟抖动（Jittered sine模型）、开关电容热噪声（KT/C noise模型）、积分器运放的噪声（op noise模型）和非理想积分器（Real intergator）[8-11]。由于第二级和第三级积分器的非理想因素和输入噪声被第一级积分器压缩，对调制器影响较小，所以后面两级积分器模型用理想积分器模型代替。在输入信号带宽为20 kHz，过采样率为256，采用频率为10.24 MHz的条件下，改变模型中各非理想因素的大小，重复进行大量仿真，确定各参数对调制器性能影响程度，得到调制器最大SNR和各模块所需要指标。通过调制器行为级别仿真可得SNR为104.6 dB，精度为17 bit。表1为积分器运放模块的参数指标。

图3 调制器行为仿真非理想模型

表 1积分器运放模块的参数指标

2 管级电路设计和仿真结果

本调制器结构是选取开关电容电路来实现的。图4给出了实现该调制器的电路结构，整个调制器由3个开关电容积分器、一个一位量化器、两相不交叠时钟电路和带隙基准电路构成的，下文将对积分器和量化器这两个主要模块的设计进行详细介绍。

图4 调制器电路结构

2.1 积分器结构设计

在X-ray数据采集模块电路中，探测到的微弱信号先经过积分器积分放大后单端输出到ADC，由于ADC为差分输入，则ADC的第一个积分器采取了如图5所示的单端转差分的结构。

图5 积分器结构

积分器上支路在开关2闭合时电容C1对Vin采样，然后在开关1闭合时，在C2电容上对Vin和Vcm的差分进行积分；下支路电容C1在开关1闭合和开关2闭合时分别对Vin和Vcm进行采样完成对Vin的反转，然后在开关1闭合时电容C2对反转信号积分，以此实现积分器输入单路转双路。同时，由于调制器前馈系数a1等于反馈系数b1，所以在第一个积分器结构中采取了前馈和反馈共用一个电容C1的方案，以达到减小芯片面积的目的。

2.2 积分器运放的设计

根据行为仿真对运放性能的要求，本设计的运放主体电路采用差分的折叠共源共栅结构（图6）来增大输入摆幅；和套筒式结构相比，折叠式结构具有易确定输入、输出共模电平的优点，因此在差分运放设计中较套筒式结构使用更为普遍[12]。另外由于版图设计和工艺的影响，差分放大器的两边不可能完全对称，只要两边稍有偏出，输出节点的电平就不会相等，因此全差分运放需要一个共模反馈结构来稳定输出节点的共模电平，本设计的运放采用的是开关电容共模反馈[13]。仿真结果表明，增益为70 dB，单位增益带宽为140 MHz，摆率为100 V/us，满足设计的要求。

图6 运放主体电路

2.3 比较器的设计

调制器另一重要的电路为比较器，本设计采用的比较器结构[14-15]如图7所示。该结构能够满足调制器对比较器的高速要求同时也兼顾了低功耗，该比较器左半边为前置放大器，目的是使输入的差分信号得到一定的放大从而提高比较的速度，同时也在一定程度上抑制比较器的非理想因素。在比较器采样相位时，CLK置0，比较器不工作，节约功耗；在积分相位时，CLK置1，比较器右半边的正反馈结构，使输出两端快速的变化成高低电平，并将比较结果锁存在SR锁存器中等待下次比较的开始。

2.4 整体电路仿真结果

图7 比较器结构

图8 后仿真功率谱密度（PSD）

调制器基于TSMC0.25μm工艺实现的，电源电源为5 V，输入19.53 kHz、Vpp=2.4 V的正弦信号，时钟为10.24 MHz，使用Cadence Spectre进行瞬态分析，输出数据由Matlab做FFT分析，为了防止频谱泄露，对调制器输出信号加Hanning窗处理，得到功率谱密度（PSD）如图8所示。通过计算得出0 Hz～ 20 kHz带宽内的SNR为98dB，精度可达16 bit，满足指标要求。

3 结束语

文中在TSMC0.25um工艺的基础上，综合考虑了电路复杂度、稳定性、非理性因素以及功耗等因素，实现了一款应用于 X-ray安检系统的三阶Sigma-delta调制器电路。通过调制器整体电路的后仿真验证，该调制器的SNR在带宽20 kHz可以达到98 dB，即16 bit，满足X-ray安检系统14 bit的指标要求。

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The design of high-performance Sigma-Delta modulator applied to the X-ray security system

JIA Shi-jie1，2，LIU Hong1，WANG Ming-liang1，TIAN Tong1
（1.Shanghai Institute of Microsystem and Technology，Shanghai 200000，China；2.ShanghaiTech University，Shanghai 200000，China）

In order to deal with the weak signal in the X-ray security system，a 14-bit modulator is needed.This paper adopts a third-order Sigma-Delta modulator structure，the modulator adopts the oversampling and noise shaping technology to realize high precision，with the 20 kHz signal，256 oversample rate and 10.24 MHz clock，Matlab Simulink modeling simulation results show that the SNR of modulator can achieve 104.6 dB and the pre-cision can reach 17 bit.After analyzing the non-ideal conditions of the modulator，The tube circuit of the modulator adopts TSMC0.25 um technology and simulates by Cadence Spectre，The results show that the SNR of the mo-dulator can reach 98 dB and the precision is 16 bit，which can satisfy the precision requirements of the X-ray security system.

X-ray；high-precision；Sigma-Delta；Matlab；Simulink

TN431.1

A

1674－6236（2017）10-0110-04

2016-04-10稿件编号：201604092

贾世杰（1992—），男，江西赣州人，硕士研究生。研究方向：模拟/射频集成电路及系统设计。