适用于生物电信号检测的12位超低功耗SAR ADC设计

发布时间：2017-06-30 06:25

  本文关键词：适用于生物电信号检测的12位超低功耗SAR ADC设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：个人健康意识的增强带动了可穿戴智能设备、便携式医疗设备的飞速发展。为了提供可靠的健康即时监测能力,我们需要对人体的生物电信号进行不间断地采集量化,然后将数据送至DSP核进行处理。在保证电路性能的前提下,ADC作为超低功耗模拟检测电路的核心模块,需要尽可能地采用低功耗设计。生物电信号的频率通常分布在0 Hz-10 kHz的范围内。而逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)在该频率范围内具有低功耗、中高精度的优点,且满足可穿戴设备及便携式医疗设备的低压低功耗要求。故本文在90 nm CMOS工艺下,设计了一种适用于生物电信号检测的12位超低功耗SAR ADC。首先,针对生物电信号和传感器检测信号在大部分时间内,幅度变化缓慢、不同波段区分明显、具有周期性变化的特性,本文提出了一种区间预测算法。由于量化区间预测技术的引入,该算法可以减少ADC的量化次数,大幅度地衰减信号的中低频部分的量化功耗,从而使得系统的整体功耗大幅度降低。其次,在对DAC的每一次切换进行建模分析的过程中,我们发现DAC的两相输出并不是在所有的时候都很接近,也就意味着在12次量化中,并不是每次都需要高精度比较器。一般偶尔在高段的某一位量化和最后几位量化中,会出现需要高精度比较器的情况。为此,本文设计了一种双模比较器,针对不同的情况选择性地开启不同的模式,在保证性能的前提下,降低了比较器的功耗。再次,在充分的Matlab建模的基础上,本文设计并采用了一种基于补偿电容的二进制冗余DAC结构。DAC采用分段结构,量化过程中高段采用粗比较器,低段采用精比较器。由于冗余的引入,使得高段量化采用低精度模式导致的比较错误都可以在低段量化过程中得到校正。同时,本文还开展了VCM-Based DAC结构设计,低电源电压设计,晶体管堆栈及时序逻辑优化等工作。最后,基于Hspice仿真结果显示,在250 kS/s的采样频率下,ADC的无杂散动态范围(SFDR)为81.6 dB,信噪失真比(SNDR)为72.8 dB,有效位数(ENOB)为11.80 bit,功耗最低为8.981μW,FOM值为10.07 fJ/Conv.-s。
【关键词】：生物电信号 超低功耗模数转换器 区间预测 二进制冗余 双模比较器
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN792
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-15
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势11-13
• 1.3 本文的主要工作及创新点13-14
• 1.4 论文组织结构14-15
• 第二章 模数转换器概述15-26
• 2.1 生物电信号检测原理15-16
• 2.2 ADC主要性能指标16-19
• 2.2.1 静态特性16-18
• 2.2.2 动态参数18-19
• 2.3 ADC的基本结构简介19-25
• 2.3.1 快闪型ADC20-21
• 2.3.2 流水线型ADC21-22
• 2.3.3 逐次逼近型ADC22-23
• 2.3.4 过采样型ADC23-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第三章 超低功耗SAR ADC的系统架构设计及建模26-48
• 3.1 传统SAR ADC的结构原理26-27
• 3.2 新型超低功耗SAR ADC的基本原理及系统结构27-35
• 3.2.1 区间预测算法原理27-29
• 3.2.2 二进制冗余校正原理29-32
• 3.2.3 双模比较器的设计32
• 3.2.4 低功耗DAC电容阵列设计32-34
• 3.2.5 超低功耗SAR ADC系统结构设计34-35
• 3.3 Matlab系统建模与仿真35-47
• 3.3.1 区间预测算法建模35-38
• 3.3.2 二进制冗余校正算法建模及噪声分析38-41
• 3.3.3 DAC电容阵列失配及寄生电容建模41-44
• 3.3.4 功耗建模及对比分析44-46
• 3.3.5 系统仿真结果及设计指标46-47
• 3.4 本章小结47-48
• 第四章 超低功耗SAR ADC电路设计与仿真48-66
• 4.1 采样保持电路设计48-52
• 4.1.1 采样开关48-50
• 4.1.2 短接开关和基准电平开关50-52
• 4.2 DAC电容阵列52-55
• 4.3 双模比较器设计55-59
• 4.4 数字电路设计59-62
• 4.4.1 基本门电路设计59
• 4.4.2 预测SAR逻辑设计59-60
• 4.4.3 关键时序电路设计60-62
• 4.5 系统性能仿真结果62-65
• 4.6 本章小结65-66
• 第五章 结论66-68
• 5.1 本文的主要工作和贡献66
• 5.2 后续工作展望66-68
• 致谢68-69
• 参考文献69-72

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