用于植入式医用芯片的低电压低功耗SAR ADC

为适应植入式医用芯片的使用要求,给出一低电压低功耗逐次逼近型模数转换器(SARADC)的设计。从降低功耗出发,提出了一种新的能量高效开关策略。与传统开关策略相比,电容阵列的平均开关能量减少了68%,电容阵列的面积仅为传统开关策略的50%;采用带校正的动态比较器,在提高精度的同时可以降低功耗;采用异步时钟,省略了高频时钟产生器,进一步降低了功耗。提出的5 Ms-111位SAR ADC采用SMIC 0.18μm CMOS混合信号工艺流片。供电电压低至1 V,功耗仅为0.236 mW,SNDR,SFDR分别达到55.1,68.38 dB。核心面积为650μm×1 000μm,符合植入式系统的要求。     

一种低复杂度逐次逼近型模数转换器设计与仿真

为了降低模数转换器(ADC)复杂度和功耗,基于低复杂度电容阵列数模转换器(DAC)参考电平切换方案,设计了一种低复杂度逐次逼近型模数转换器(SAR ADC).电容阵列DAC中电容采用双参考电平结构,降低电路的复杂度;比较器采用低复杂度两级动态结构,降低功耗;移位寄存器采用低复杂度动态锁存电路结构,降低功耗和减少误码;电容驱动电路采用低复杂度互补金属氧化物半导体(CMOS)反相器结构,减少晶体管数量. SAR ADC电路的仿真结果显示:在电压为1.0 V和采样频率为100 k Hz时,SAR ADC功耗为0.45μW,有效位(ENOB)为9.99 bit,其单步转换功耗为4.4 f J.该SAR ADC指标满足低功耗的要求,适用于便携式、植入式、穿戴式和无线传感器节点等低功耗电子终端.     

用于植入式医疗设备的低功耗低位逐次逼近型模数转换器

针对植入式医疗设备中关键模块模数转换器(ADC)的超低功耗设计问题,以低功耗的逐次逼近型ADC为基础,提出了低位逐次逼近量化逻辑的模数转换器。量化逻辑主要用于以心电信号为代表的低活动度生物信号,在采用固定分辨率和采样率的情况下,根据信号的变化幅度调整量化次数,以达到降低功耗和压缩数据量的目的,在信号处于基线或缓变间期最少只需要3次量化就可以得到ADC转换结果。采用Global Foundry 0.18m标准CMOS工艺对该ADC进行了电路和版图设计,仿真结果显示,在1.8V的电源电压和1kHz的采样率下,ADC的有效位为9.6b,核心电路平均电流功耗为64～131nA。该低位逐次逼近模数转换器特别适合应用于植入或可穿戴医疗设备中低活动度生物信号的模数转换,在保证量化精度的同时显著降低了ADC的功耗。     

高性能低功耗10 bit 100 MS/s SAR ADC

设计了一种高性能低功耗的10 bit 100 MS/s逐次逼近寄存器(SAR)模数转换器(ADC).基于优值(FOM)设计了一种数模转换器(DAC)单元电容确定法,从而实现了ADC性能和功耗之间的最优折中,得到了最小的后仿真优值为17.92 f J/步,以及与之对应的最优单元电容值1.59 f F.为了减小输入共模电压变化引起的信号敏感性失调,设计了改进的P型输入动态预放大锁存比较器,比较器采用共源共栅结构(cascode)作为P型预放大器的偏置,从而增加了预放大器的共模抑制比(CMRR).模数转换器采用1层多晶硅8层金属(1P8M)55 nm互补型金属氧化物半导体(CMOS)工艺进行了流片验证,在1.3 V电压和100 MS/s采样率的环境下进行测试,信噪失真比(SNDR)的值为59.8 d B,功耗为1.67 mW,有效电路面积仅为0.016 2 mm~2.     

一种基于开关逻辑结构的低功耗SAR ADC的设计

设计并实现了一款10位逐次逼近型模数转换器,该电路采用了改进型开关逻辑结构降低了开关的动作频率,提高了数模转换器的线性度,同时降低了模数转换器的功耗.仿真结果表明,该模数转换器在Chartered 0.35μm 2P4M工艺下实现了10位精度,转换速率为250 kHz,信噪比大于60 dB,功耗小于2 mW.流片后测试结果显示芯片达到设计指标要求,平均功耗为1.97 mW.     

一种适用于音频调制的混合架构低功耗Σ-Δ调制器

随着电子信息技术的发展,移动便携电子设备不断进入人们生活的各个方面.应用在模数混合信号系统的性能也在不断提高.模数转换器作为模数混合信号系统中核心的组成部分,ADC的性能水平直接决定了使用它的系统的性能水平.由于集成电路元件间匹配精度的限制,在同一工艺条件下,SARADC很难实现高精度,而Σ-ΔADC采用了过采样和噪声整形技术,大大降低了对元器件匹配的要求,易实现高精度,但量化器单元电路功耗较高,针对这些特点,提出了一种将SARADC和Σ-ΔADC相结合的架构——2阶5位Σ-Δ混合架调制器.其在传统Σ-ΔADC的结构上去除Flash型量化器,用低功耗的SAR型ADC作为量化器,保持了Σ-ΔADC的高精度特点,基于开关电容、积分器和采用动态比较器的逐次逼近型ADC来实现.ADC中的积分器采用运算跨导放大器(OTA)实现,前馈调制器中的多位量化器和模拟加法器由SAR模数转换器实现,模拟无源加法器嵌入到由电容器阵列和动态比较器组成的SAR ADC中,其中动态比较器无静态功耗.该芯片基于SMIC 180 nm CMOS工艺设计和验证,芯片版图的有效面积为0.56 mm2.通过对该调制器芯片的后仿真分析,验证了其方案可行性.仿真测试芯片电源电压1.8 V,以3.2 MS/s采样频率对输入的0～25 k Hz正弦波进行采样,峰值SNR=126 dB,芯片总功耗3.6 m W.     

高速模数转换器中格雷码与二进制编码对比

为了实现高速模数转换器中的编码电路,研究了编码电路常用的格雷码和二进制编码2种编码方式.结合模数转换器的实际工作条件,从误差来源、误差分布、整体功耗、电路规模等方面对2种编码进行了对比.分析结果表明,在不同的应用条件下2种编码方式具有各自的优缺点,在量化位数较低的情况下,二进制编码比格雷码在某些方面更具有优势.最后基于一个量化精度为6位的高速模数转换器,在中芯国际(SMIC)0.18μm互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺下,采用二进制编码方式设计了一个高速编码电路.实际测试结果表明,该编码电路在2GHz速度下工作状态良好.     

一种采用时间交织结构的低功耗Pipelined SAR模数转换器设计

设计了一款低功耗12bit 100MS/s流水线逐次逼近型模数转换器(Pipelined SAR ADC),提出了一种第二级子模数转换器时间交织的结构,改善了模数转换器的采样率;优化Pipelined SAR ADC前后级子ADC的位数关系,同时结合半增益运算放大器技术,降低了运放的设计难度,减小了运放的功耗.本设计是在TSMC65nm LP工艺下设计实现的,在电源电压为1.2V,采样率为100MS/s,输入信号为49.1MHz时,此ADC可达到69.44dB的信噪比(SNDR)和74.04dB的无杂散动态范围(SFDR),功耗为8.6mW.     

植入式医疗装置的无线通信和能量收集电路

针对传统植入式医疗装置中无线通信电路功耗高、面积大、通信距离短且通常不具备能量收集功能的问题,提出了一种高效率的无线通信和能量收集电路。无线通信电路通过采用脉冲幅度调制的近场通信方式,与传统的开关调制方式相比,其功耗更低,并且在相同误码率的情况下能够实现更远的通信距离;能量收集电路通过使用低功耗的MOS整流和稳压电路,其具有高转换效率、小面积的优势。采用0.35μm CMOS工艺,完成了电路的设计和仿真,通过搭建实验平台,对所提无线通信系统进行了验证。实验结果表明:所提电路可在2.0~2.8V电源下工作,在误码率不超过10-5的情况下,最远无线通信距离可达12cm,并且工作时的电流低于26μA;无线能量收集电路在输入800mV、128kHz正弦信号时,输出直流电压为1.73V,能量转换效率达到20%。所设计电路可应用于起搏器等植入式医疗装置中,可实现高效率的无线通信和能量收集。     

针对植入式应用的8位100kS/s的逐次逼近型模数转换器设计

针对植入式医疗电子的应用需求设计了一个8位100 kS/s的低功耗逐次逼近型模数转换器(SAR ADC),并且基于0.13μm 1P8M工艺进行了流片(tape-out)验证.为了达到降低功耗的设计目标,对SAR ADC的子模块进行了仔细的分析设计:采用满足精度和速度要求的无源互补开关;采用失调(offset)优化的无静态电流的动态比较器;采用无静态功耗的电容阵列子数模转化器.测试结果表明,当输入测试信号为9.37 kHz时,该SAR ADC的信号噪声失真比(SNDR)为49.2 dB,动态无杂散范围(SFDR)为63 dB,有效位(ENOB)为7.8位.其微分非线性(DNL)和积分非线性(INL)分别为-0.15/+0.15 LSB和-0.35/+0.23 LSB,功耗为3.2μW,优值(FoM)为143 fJ/conversion-step.