本文關(guān)鍵詞：適用于生物電信號檢測的12位超低功耗SAR ADC設(shè)計，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：個人健康意識的增強帶動了可穿戴智能設(shè)備、便攜式醫(yī)療設(shè)備的飛速發(fā)展。為了提供可靠的健康即時監(jiān)測能力,我們需要對人體的生物電信號進行不間斷地采集量化,然后將數(shù)據(jù)送至DSP核進行處理。在保證電路性能的前提下,ADC作為超低功耗模擬檢測電路的核心模塊,需要盡可能地采用低功耗設(shè)計。生物電信號的頻率通常分布在0 Hz-10 kHz的范圍內(nèi)。而逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(SAR ADC)在該頻率范圍內(nèi)具有低功耗、中高精度的優(yōu)點,且滿足可穿戴設(shè)備及便攜式醫(yī)療設(shè)備的低壓低功耗要求。故本文在90 nm CMOS工藝下,設(shè)計了一種適用于生物電信號檢測的12位超低功耗SAR ADC。首先,針對生物電信號和傳感器檢測信號在大部分時間內(nèi),幅度變化緩慢、不同波段區(qū)分明顯、具有周期性變化的特性,本文提出了一種區(qū)間預測算法。由于量化區(qū)間預測技術(shù)的引入,該算法可以減少ADC的量化次數(shù),大幅度地衰減信號的中低頻部分的量化功耗,從而使得系統(tǒng)的整體功耗大幅度降低。其次,在對DAC的每一次切換進行建模分析的過程中,我們發(fā)現(xiàn)DAC的兩相輸出并不是在所有的時候都很接近,也就意味著在12次量化中,并不是每次都需要高精度比較器。一般偶爾在高段的某一位量化和最后幾位量化中,會出現(xiàn)需要高精度比較器的情況。為此,本文設(shè)計了一種雙模比較器,針對不同的情況選擇性地開啟不同的模式,在保證性能的前提下,降低了比較器的功耗。再次,在充分的Matlab建模的基礎(chǔ)上,本文設(shè)計并采用了一種基于補償電容的二進制冗余DAC結(jié)構(gòu)。DAC采用分段結(jié)構(gòu),量化過程中高段采用粗比較器,低段采用精比較器。由于冗余的引入,使得高段量化采用低精度模式導致的比較錯誤都可以在低段量化過程中得到校正。同時,本文還開展了VCM-Based DAC結(jié)構(gòu)設(shè)計,低電源電壓設(shè)計,晶體管堆棧及時序邏輯優(yōu)化等工作。最后,基于Hspice仿真結(jié)果顯示,在250 kS/s的采樣頻率下,ADC的無雜散動態(tài)范圍(SFDR)為81.6 dB,信噪失真比(SNDR)為72.8 dB,有效位數(shù)(ENOB)為11.80 bit,功耗最低為8.981μW,FOM值為10.07 fJ/Conv.-s。
【關(guān)鍵詞】：生物電信號 超低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器 區(qū)間預測 二進制冗余 雙模比較器
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN792
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 緒論10-15
• 1.1 研究背景及意義10-11
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢11-13
• 1.3 本文的主要工作及創(chuàng)新點13-14
• 1.4 論文組織結(jié)構(gòu)14-15
• 第二章 模數(shù)轉(zhuǎn)換器概述15-26
• 2.1 生物電信號檢測原理15-16
• 2.2 ADC主要性能指標16-19
• 2.2.1 靜態(tài)特性16-18
• 2.2.2 動態(tài)參數(shù)18-19
• 2.3 ADC的基本結(jié)構(gòu)簡介19-25
• 2.3.1 快閃型ADC20-21
• 2.3.2 流水線型ADC21-22
• 2.3.3 逐次逼近型ADC22-23
• 2.3.4 過采樣型ADC23-25
• 2.4 本章小結(jié)25-26
• 第三章 超低功耗SAR ADC的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計及建模26-48
• 3.1 傳統(tǒng)SAR ADC的結(jié)構(gòu)原理26-27
• 3.2 新型超低功耗SAR ADC的基本原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)27-35
• 3.2.1 區(qū)間預測算法原理27-29
• 3.2.2 二進制冗余校正原理29-32
• 3.2.3 雙模比較器的設(shè)計32
• 3.2.4 低功耗DAC電容陣列設(shè)計32-34
• 3.2.5 超低功耗SAR ADC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計34-35
• 3.3 Matlab系統(tǒng)建模與仿真35-47
• 3.3.1 區(qū)間預測算法建模35-38
• 3.3.2 二進制冗余校正算法建模及噪聲分析38-41
• 3.3.3 DAC電容陣列失配及寄生電容建模41-44
• 3.3.4 功耗建模及對比分析44-46
• 3.3.5 系統(tǒng)仿真結(jié)果及設(shè)計指標46-47
• 3.4 本章小結(jié)47-48
• 第四章 超低功耗SAR ADC電路設(shè)計與仿真48-66
• 4.1 采樣保持電路設(shè)計48-52
• 4.1.1 采樣開關(guān)48-50
• 4.1.2 短接開關(guān)和基準電平開關(guān)50-52
• 4.2 DAC電容陣列52-55
• 4.3 雙模比較器設(shè)計55-59
• 4.4 數(shù)字電路設(shè)計59-62
• 4.4.1 基本門電路設(shè)計59
• 4.4.2 預測SAR邏輯設(shè)計59-60
• 4.4.3 關(guān)鍵時序電路設(shè)計60-62
• 4.5 系統(tǒng)性能仿真結(jié)果62-65
• 4.6 本章小結(jié)65-66
• 第五章 結(jié)論66-68
• 5.1 本文的主要工作和貢獻66
• 5.2 后續(xù)工作展望66-68
• 致謝68-69
• 參考文獻69-72

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