用于生物电信号特征参数提取的SAR ADC研究

摘要

国民个人健康意识的逐渐增强，以及日益增长的保健和医疗成本推动了对用户身体状况远程监测和远程诊断的医疗系统的发展。为了获取全面可靠的监测信息并作出准确的诊断，需要对用户体内的生理信号进行连续的采集和量化，这就要求智能监测系统拥有较小的物理尺寸和极低的功耗。ADC作为生物电信号检测的核心模块，其功耗以及性能对整个设备的影响非常大，而且作为DSP系统的前一级模块，如果能将ADC采集量化完成的数据进行特征参数提取，减少传输到DSP处理单元的数据量，那么不但可以减少数据传输过程中的功耗，还可以很大程度上减少DSP处理单元的功耗。因此设计一个能够进行生物电信号特征参数提取，并具备低功耗、高精度的ADC对于整个系统来说至关重要。本课题在0.13μm标准CMOS工艺下，设计了一款用于生物电信号特征参数提取的12bit低功耗SAR ADC。 针对生物电信号的大部分时间内不会有很大的幅值变化，波段之间有非常明显的区别，并且整个信号随时间成周期性变化的特点，提出了一种新型的预测区间动态追踪算法，该算法大幅度减少了比较器和DAC电容阵列的功耗，并且基于本算法量化出的结果可以用于后续的生物电信号特征参数提取。 结合预测算法和SAR ADC的工作原理，设计了与算法相匹配的DAC电容阵列以及整体的SAR ADC架构。通过MATLAB建模，验证了算法和架构的可行性。通过基于VCM-based的分段DAC结构减小了DAC电容阵列的面积和功耗。 在Cadence环境中进行了电路设计，并完成了版图设计，对版图进行了参数提取。在10kS/s的采样率下，系统的后仿结果如下，SFDR为81.83dB，SNDR为72.35dB，ENOB为11.7bit，在1.2V电源电压下功耗3.64W，FoM值为11.14fJ/Conv.-s。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.3本文的主要工作及创新点

1.4 论文结构组织

第二章 生物电信号及模数转换器概述

2.1生物电信号及检测系统简介

2.2 模数转换器的主要性能指标

2.2.1 静态性能

2.2.2 动态参数

2.3 ADC的常见结构简介

2.3.1 快闪型 ADC

2.3.2Pipeline ADC

2.3.3逐次逼近型ADC

2.3.4过采样ADC

2.4本章小结

第三章低功耗SAR ADC的系统框架设计及建模

3.1传统SAR ADC的工作原理

3.2新型低功耗SAR ADC的基本原理及结构

3.2.1预测区间动态追踪算法原理

3.2.2 低功耗DAC电容阵列设计

3.2.3SAR ADC的系统框架设计

3.3 Matlab系统建模和仿真

3.3.1预测区间动态追踪算法建模

3.3.2 比较器噪声和失配建模仿真

3.3.3 DAC电容失配建模仿真

3.3.4系统设计指标

3.4本章小结

第四章低功耗SAR ADC电路设计与仿真

4.1 栅压自举电路设计

4.2比较器设计

4.2.1前置运放设计

4.2.2锁存器设计

4.3 DAC电容阵列设计

4.4 数字模块设计

4.4.1时序产生模块设计

4.4.2 SAR逻辑设计

4.4.3开关控制逻辑设计

4.4.4数字输出逻辑设计

4.4.5破除比较器亚稳态逻辑设计

4.5本章小结

第五章 系统性能仿真结果及版图

5.1ADC前仿真结果

5.2版图设计

5.3 ADC后仿真结果

5.4本章小结

第六章 结论

6.1 本文的主要工作和贡献

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果