用于植入式医疗设备的超低功耗SAR ADC设计

摘要

随着信息化技术的发展以及公民健康意识的增强，植入式医疗设备的研究成为热点。模数转换器（ADC）作为系统中关键的模块，要求其具有高精度、低功耗的性能。在众多ADC结构中，逐次逼近型（SAR）ADC由于其结构简单以及较高的能量利用效率，是实现该目标的较佳选择。本文基于55nm CMOS工艺，设计了一款工作在0.6V电源电压下，12位10kS/s的超低功耗SAR ADC。
　　首先，为了降低比较器的功耗，本文通过分析传统vcm-based SAR ADC的逐次逼近过程中DAC输出电压差的变化规律，提出了电压窗口原理，针对不同幅度的DAC输出电压差采用不同精度的比较器进行比较判断。并在此基础上提出了应用了电压窗口技术的超低功耗SAR ADC结构。
　　其次，在Matlab中对本文提出的超低功耗SAR ADC进行系统建模仿真，验证了结构的正确性。为了获得较优的系统性能，本文分析了超低功耗SAR ADC中一些非理想因素对系统性能的影响。主要包括电荷再分配型DAC中电容的失配以及噪声，前置放大器以及可再生锁存器的等效输入失调电压以及输入噪声，窗口电压的尺寸等。并将这些非理想因素引入到ADC系统模型中进行仿真，确定各个非理想因素的系统容忍范围，以此为参考指导各个模块的电路级设计。
　　再次，本文针对SAR ADC中的各个模块进行了超低功耗设计。将电源电压降低到0.6V，并采用堆栈晶体管结构以及多阈值电压晶体管的方法有效降低了数字电路的功耗。但是低电源电压会降低采样开关的线性度，为此本文采用时钟倍压技术，提高采样开关的栅压来提高采样开关的线性度。
　　最后，基于仿真工具Hspice对本文设计的超低功耗SAR ADC进行前仿真。仿真结果表明，在10kS/s的采样频率下，ADC的无杂散动态范围SFDR为83.9dB，信噪失真比SNDR为73.2dB，有效位数ENOB为11.87bits，功耗为287.3nW，FoM值为7.68fJ/Conv。窗口电压技术有效的降低了76.24％的比较器功耗，并因此降低了50.34%的系统总功耗。此外，本文基于55nm CMOS工艺完成了超低功耗SAR ADC版图的实现，并对ADC进行了后仿验证。后仿结果表明：在10kS/s的采样频率下，ADC的SFDR为77.8dB，SNDR为69.3dB，ENOB为11.22bits，功耗为624nW，FoM值为26.17fJ/Conv，达到了超低功耗的水平。最终完成的核心版图面积为435×210μm2。

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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 论文组织结构

第二章 模数转换器概述

2.1 模数转换器基本原理

2.2 ADC主要性能参数

2.3 ADC的基本结构简介

2.4 本章小结

第三章 超低功耗SAR ADC原理与系统建模及仿真

3.1 传统SAR ADC的结构原理

3.2 新型超低功耗SAR ADC的系统结构原理

3.3 Matlab系统建模与仿真

3.4 本章小结

第四章 超低功耗SAR ADC电路设计与仿真

4.1 DAC电容阵列

4.2 开关网络

4.3 比较器设计

4.4 检测器电路

4.5 数字逻辑电路设计

4.6 本章小结

第五章 系统性能仿真与版图设计

5.1 系统性能前仿真

5.2 版图设计技术

5.3 超低功耗SAR ADC的版图实现

5.4 整体ADC的后仿真

5.5 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