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低功耗设计比较器对SAR ADC在生物医学应用

Md.Kareemoddin1Ashok Kumar, a .2赛义德·Musthak艾哈迈德博士3
  1. m技术的学生,嵌入式系统,S R工程学院,印度
  2. 学系助理教授ECE S R工程学院,印度
  3. 教授和煤斗,部门的ECE S R工程学院,印度
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文摘

电力消耗是在今天ICs的一个主要设计约束。系统由小非充电电池在整个生命的时间,比如医疗植入设备超低功耗是很重要的。在这些系统adc是关键组件之间的接口模拟世界和数字领域。本文将解决低功耗的设计挑战和策略为生物医学植入设备adc。SAR ADC的比较器需要更多的能耗比其他块,本文低功率比较器是专为在SAR ADC降低功耗。

关键字
低功率,SAR ADC、比较器、生物医学应用

介绍
模拟到数字转换器是重要的构建模块在很多应用程序中。在过去的几年里,越来越多的应用程序是建立功耗非常严格的要求。电子系统,如无线系统或植入式设备,电力消费正成为最关键的因素之一。严格的要求能源消费增长需要低电压和低功耗电路技术的发展和系统构建块。
模拟-数字转换器(adc)将模拟量转化为数字语言,用于信息处理、计算、数据传输和控制系统。adc是关键组件的设计力量有限的系统,为了保持尽可能低的耗电量。植入式医疗电子产品,例如心脏起搏器和心脏去纤颤器设备的典型例子,超低功耗消费至关重要,植入单位依赖于一个小的非可充电电池维持upto10years的寿命。
人工心脏起搏器的一生应该持续10年每操作要求低功耗。模拟到数字转换器的关键部分是植入式起搏器,因为它消耗大量的权力之间的界面感觉模拟信号和数字信号处理器。因此,降低ADC的功耗是一个主要的问题。
低功率adc中分辨率和低采样频率适合生物医学应用。这些规范使SAR ADC的合适选择。它消耗低功率由于其结构简单。此外,SAR ADC与技术可伸缩的架构的扩展,因为大多数部分除了数字比较器。

起搏器手术

心脏起搏器直接控制心跳的模式和速度。当心脏停止跳动或节奏太慢,起搏器为微弱的电信号提供大约每分钟70次心跳的正确时机。这个医疗设备包含一个电池,一个发电机和步调线索。导致连接心脏起搏器和刺激心脏起搏器产生的脉冲。电池和发电机是一个钛容器放置在体内。
图显示了一个起搏器的框图。主要模块分为四部分
1)在输入,有感应系统,放大器,滤波器和模拟到数字转换器。
2)数字ADC的输出是美联储的逻辑块
这种由一个可编程逻辑,定时控制系统和治疗算法。
3)电流和电压参考发电机和电池电源管理。
4)在起搏器的输出,高压脉冲发生器和乘数效应存在。

逐次逼近ADC
本节描述SAR ADC架构的不同组件。SAR ADC的主要组件是一个示例并持有,数字模拟转换器(DAC)、比较器和SAR逻辑。
一个运算放大器:
模拟电路设计的主要构建块是运算放大器(运算放大器)。它的主要用途是提供足够的增益和实现模拟信号处理功能使用负面反馈。这些模拟信号处理功能包括放大、集成、过滤和总和。运算放大器与截然不同的复杂程度是用于实现函数从直流偏压代高增益放大,滤波或adc。
B)示例并持有:
样品&保持使用一个电容器和一个模拟开关连接或隔离电容的输入。一个运算放大器连接,从动件避免负载的影响。放大器可以关闭以减少电路时的功耗待机模式。
最基本形式的取样维持电路结合一个开关和一个电容器,电路的操作如下。在采样模式开关””,创建信号通路,使电容器跟踪输入电压。当开关“关闭”创建一个开放的电路隔离电容的输入,因此改变电路从采样模式进入控股模式。
C)比较器
比较器是一个重要的部分在SAR ADC执行二进制搜索算法。比较器的SAR ADC需要更多的能耗比另一块。一个比较器生成一个逻辑输出高或低对比的基础上参考电压的模拟输入。
在一个理想的比较器,与无限增益,输入电压高于参考电压,比较器输出逻辑一个和输入电压低于参考电压产生零输出。
D)数字模拟转换器
数字模拟转换器的分辨率8位。转换器已经分成两个4位D / A转换器减少总面积。每一块都可以单独关闭来减少功耗。
在此体系结构中我们使用R-2R梯形网络DAC。R-2R阶梯法的优点是只有两个值的电阻极大地简化了使用任务匹配或削减和温度跟踪。由于R-2R DAC输出参考电压的乘积和数字输入单词,R-2R阶梯DAC MDAC通常被称为。
E) SAR逻辑
逐次逼近寄存器(SAR)控制逻辑决定了每一位先后。SA寄存器包含一个N位ADC的N位。为每一位有三个可能性,它可以设置为„1 ?重置,„0 ?或使其价值。在第一步中,最高有效位设置为„1 ?和其他部分复位„0 ?,the digital word is converted to the analog value through DAC. The analog signal at the output of the DAC is inserted to the input of the comparator and is compared to the sampled input.
根据比较的结果,特区控制器定义MSB价值。如果输入大于输出的DAC, MSB仍在„1 ?,否则复位„0 ?。其余的决心以同样的方式。在过去的周期中,存储转换后的数字单词。因此,一个N位SAR ADC采用N + 1时钟周期执行转换。
逐次逼近寄存器使用SAR ADC实现二进制搜索算法的控制逻辑。一般来说,主要有两种完全不同的方法来设计SAR逻辑。第一个由安德森提出由一个环形计数器和一个移位寄存器。至少2 N的人字拖是受雇于这种特区。另一方面,提出了罗西,包含N人字拖和一些组合逻辑。

实验结果
一个运算放大器:
第一个方面考虑设计是满足规范。基于一个清晰的理解的规格,标准CMOS运算放大器的电路拓扑,之所以选择它是因为它认为这样的设计可以满足规范,这种放大器的设计是相当简单的。
在上面的外祖母是非反相终端,在反相终端和OP是在放大器的输出终端。
B)样品&
在下面图电压跟随器放置在电容器为了避免电容器上的负载效应。S / H操作概念上所示的电路所示。打开和关闭的开关或取样器由一个示例命令(即控制。,时钟)。
当开关关闭(clk =„1 ?),电容器C样品和跟踪输入信号的指控。当开关打开(clk = 0 ?)举行的输出电压,电容器充电在签证官,直到下一个采样脉冲到达(clk = 1 ?)。关闭的时间间隔在取样器称为采样时间时期P。
C)比较器
一个比较器生成一个逻辑输出高或低对比的基础上参考电压的模拟输入。SAR ADC的比较器需要更多的能耗比其他街区。在SAR ADC我们必须设计比较器,这样消耗的功率非常少。
一个比较器生成一个逻辑输出高或低对比的基础上参考电压的模拟输入。在一个理想的比较器,与无限增益,输入电压高于参考电压,比较器输出逻辑一个和输入电压低于参考电压产生零输出。
在下面图在——„„给负终端和+的+ ve终端比较器,当+ > -输出(5伏特)和0伏在+ < -。

结论
逐次逼近ADC适合操作在超低电源电压0.13 um CMOS技术实现使用标准阈值CMOS设备和避免引导技术。这个SAR ADC是适合生物医学应用,如心脏起搏器、MRI和脑电图。在本文中,我们主要集中在低功率比较器的设计对于SAR ADC在生物医学的应用程序,因为比较器在SAR ADC消耗更多的能量比SAR ADC中其他的部分。

数据乍一看
图 图 图 图
图1 图2 图3 图4
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图5 图6 图7 图8

引用







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