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用于生物医疗系统的低功耗ADC的研究和设计

作　者: 邓琳
导　师: 赵梦恋; 吴晓波
学　校: 浙江大学
专　业: 电路与系统
关键词: 生物医疗系统逐次逼近型模数转换器低功耗阶梯式时域比较器
分类号: TN792
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
下　载: 15次
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内容摘要

近年来,随着集成电路技术的发展及其在生物医学领域的应用,使得微型化、智能化的生物医疗系统得以发展和实现,对于疾病的诊断和治疗、改善人的生活质量有重要意义。模拟数字转换器(Analog to Digital Converter, ADC)是生物医疗系统中必不可少的关键模块,负责将模拟生物电信号转换为数字信号进行传输和处理。其中逐次逼近型ADC因其结构简单、功耗低、面积小等特点被广泛应用于生物医疗领域。论文针对生物医疗系统应用的需要,提出了一种12比特200KHz的低功耗SAR ADC.整个电路由采样保持电路、电荷再分配型DAC、时域比较器以及逐次逼近逻辑寄存器构成。其特点包括：采用一种改进的阶梯型时域比较器,结合提出的可重构双控制模式以实现比较器的低功耗、低噪声；采用基于整数分级电容阵列来降低功耗、提高精度；采用混合型开关策略,结合基于共模电压的开关策略和单调的开关策略达到降低功耗、节约面积的目的；同时,采用了多逻辑控制的时钟分配电路以降低功耗。整个设计基于UMC0.18μm工艺实现,采用0.9V供电电压。仿真结果表明,其中模拟数字转换器模块的SNDR约为70dB,有效位数为11.2比特,系统功耗为2.2μW, Fom为4.7fJ/c-s,ADC芯片核心面积为600μm×400μm,已交付流片。结果表明该模拟数字转换器符合生物医疗系统领域的低功耗、微型化以及高精度要求。

全文目录

致谢  7-8
摘要  8-9
Abstract  9-10
目录  10-13
插图和附表目录  13-15
1 引言  15-20
  1.1 研究背景  15-16
  1.2 课题研究意义  16-17
  1.3 相关研究现状  17-18
  1.4 研究内容及论文结构  18-20
2 用于生物医疗系统的ADC技术研究  20-33
  2.1 低功耗生物医疗系统  20-23
    2.1.1 应用背景和需求分析  20-22
    2.1.2 功能分析与设计  22-23
  2.2 ADC主要指标  23-26
    2.2.1 ADC的静态指标  24-26
    2.2.2 ADC的动态指标  26
  2.3 ADC的主要分类  26-32
    2.3.1 快闪型Flash ADC  27-28
    2.3.2 流水线型Pipeline ADC  28-29
    2.3.3 Delta-sigma ADC  29-30
    2.3.4 逐次逼近型SAR ADC  30-31
    2.3.5 转换器结构小结  31-32
  2.4 总结  32-33
3 低功耗SAR ADC设计研究  33-53
  3.1 ADC的设计指标  33-35
    3.1.1 SAR ADC整体设计指标  33-34
    3.1.2 SAR ADC噪声设计指标  34-35
  3.2 SAR ADC采样/保持电路研究  35-39
    3.2.1 采样/保持电路  35-37
    3.2.2 自举开关  37-38
    3.2.3 升压开关  38-39
    3.2.4 本文拟采用的采样/保持电路  39
  3.3 SAR ADC比较器研究  39-45
    3.3.1 比较器  39-43
    3.3.2 开环比较器  43
    3.3.3 动态比较器  43-44
    3.3.4 时域比较器  44-45
    3.3.5 本文拟采用的比较器  45
  3.4 SAR ADC DAC研究  45-49
    3.4.1 DAC  46-47
    3.4.2 电容阵列  47-49
    3.4.3 本文拟采用的DAC  49
  3.5 SAR ADC SAR逻辑控制电路研究  49-52
    3.5.1 传统的开关策略  49-50
    3.5.2 基于共模电压的开关策略  50-51
    3.5.3 单调的开关策略  51
    3.5.4 本文拟采用的开关策略  51-52
  3.6 总结  52-53
4 系统设计及实现  53-87
  4.1 设计目标和系统框图  53-56
  4.2 比较器电路设计  56-69
    4.2.1 传统的时域比较器  56-61
    4.2.2 本文提出的改进型阶梯式时域比较器  61-66
    4.2.3 功耗节约的可重构双控制模式  66-67
    4.2.4 功耗节约的阶梯式时域比较器电路和结果  67-69
    4.2.5 总结  69
  4.3 其他电路模块设计  69-79
    4.3.1 采样/保持电路模块  69-70
    4.3.2 时钟分配电路模块  70-72
    4.3.3 电容阵列电路模块  72-74
    4.3.4 SAR逻辑控制电路模块  74-78
    4.3.5 测试控制电路模块  78-79
  4.4 系统仿真结果  79-85
  4.5 系统版图  85-86
  4.6 总结  86-87
5 结论与展望  87-89
参考文献  89-93
攻读学位期间科研成果  93

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