可重组的生医应用逐次逼近型模拟数字转换器设计

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近年来,生物医疗电子的发展越来越受到重视,特别是便携带式生理即时检测系统的相关产业更是蓬勃发展。配合携带型装置的要求,低功耗、小面积成了这些系统中电路必然的发展趋势。在生物医疗信号系统电路中,模拟数字转换器(ADC)扮演将连续将模拟生理信号转换成可处理的数字信号的重要角色,而数字信号再依使用需求作分析与处理统计。由于ADC在系统中使用频繁,所以在ADC电路设计中,功耗就成为重要的考虑因素。  本文提出的可重组的逐次逼近型模拟数字转换器主要包含两个方面来改善低电源电压工作的状况,并提高整体电路的效率:基于电荷再分配原理(Charge Sharing Switching(CSS) method)的切换方式;提出了单端桥式电容阵列DAC,来降低整体芯片面积和功率消耗,采样保持电路Bootstrap开关来改善线性度和采样速率的问题,由于逐次逼近型模拟数字转换器是重复使用一个比较器来进行解码,整体电路中数字电路所占比例非常高,可以通过降低工作电压来较少功率消耗,不过工作电压降低也意味着信噪比(SNR)会更加恶化,使得比较器设计需有更高的解析度,本文采用双电源电压来解决数字电路的低功耗和模拟电路的信噪比问题。本文提出的SAR ADC设计,具有以下特点:  1.电源电压可调(0.5V~1V),当电压下降,有利于降低整体功率消耗,维持在nW等级。  2.可根据使用者需求,来选择不同的位元数,提供8位与10位元模式。  3.采用单端输入,并使用桥式DAC,有助于减少面积,与传统电容阵列相比减少了16倍。  本文SAR ADC的数字电路工作于0.5V,模拟电路10位元和8位元分别工作于1V与0.6V,布局布线前仿真平均功率消耗分别为1.35μW和0.15μW,DNL分别介于-0.009LSB~0.22LSB和-0.02LSB~0.21LSB;INL分别介于-0.2LSB~0.5LSB和-0.25LSB~0.25LSB;SNR分别为56.938dB和48.503dB。版图布局后仿真平均功率分别为2.07μW和0.19μW,DNL分别介于-0.03LSB~0.055LSB和-0.15LSB~0.15LSB;INL分别介于-0.39LSB~0.22LSB和-0.27LSB~0.025LSB;SNR分别为56.938dB和48.503dB。
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