关键字 |
| 低功耗，SAR ADC，比较器，生物医学应用 |
介绍 |
| 模数转换器是许多应用的重要组成部分。在过去的几年中，越来越多的应用程序对功耗有非常严格的要求。对于电子系统，如无线系统或植入式设备，功耗正成为最关键的因素之一。对能源消耗的严格要求增加了开发低电压和低功率电路技术和系统构件的需求。 |
| 模数转换器(adc)将模拟量转换为数字语言，用于信息处理、计算、数据传输和控制系统。为了保持尽可能低的功耗，adc是设计限电系统的关键部件。植入式医疗电子设备，如起搏器和心脏除颤器是超低功耗设备的典型例子。植入式设备依靠一个小的不可充电电池来维持长达10年的使用寿命。 |
| 人工心脏起搏器的使用寿命最长可达10年，每次操作功耗低。模拟-数字转换器作为感应到的模拟信号与数字信号处理器块之间的接口，是植入式心脏起搏器的关键部件。因此，降低ADC的功耗是一个主要问题。 |
| 具有中等分辨率和低采样频率的低功耗adc适用于生物医学应用。这些规格使SAR ADC成为合适的选择。由于结构简单，功耗低。此外，SAR ADC随着技术的扩展是可扩展的，因为除了比较器之外的大部分架构都是数字化的。 |
起搏器手术 |
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| 心脏起搏器直接控制心跳的模式和速度。当心脏停止跳动或跳动过慢时，心脏起搏器会以每分钟约70次的微弱电信号来纠正心脏跳动的时间。这种医疗设备包括电池、发电机和起搏导线。导线将起搏器连接到心脏，并用起搏器产生的脉冲刺激心脏。电池和发电机在一个钛容器内，被放置在身体内部。 |
| 图示为心脏起搏器的框图。主要模块分为四个部分 |
| 1)在输入端，有传感系统、放大器、滤波器和模数转换器。 |
| 2) ADC的数字输出馈送到逻辑块 |
| 它由可编程逻辑、定时控制系统和治疗算法组成。 |
| 3)电流电压基准发电机和电池电源管理。 |
| 4)在起搏器的输出端，有高压脉冲发生器和倍增器。 |
逐次逼近adc |
| 本节描述SAR ADC架构的不同组件。SAR ADC的主要部件是采样保持器、数模转换器(DAC)、比较器和SAR逻辑。 |
| A)运算放大器: |
| 模拟电路设计的主要组成部分是运算放大器。它的主要用途是提供足够的增益，并使用负反馈实现所有模拟信号处理功能。这种模拟信号处理功能包括放大、积分、滤波和求和。运算放大器具有极大不同的复杂程度，用于实现从直流偏置产生到高增益放大、滤波或adc等功能。 |
| B)取样和保存: |
| 采样与保持使用电容和模拟开关连接或隔离电容与输入。作为从动件连接的运放避免了负载的影响。当电路处于待机模式时，放大器可以被下电以降低功耗。 |
| 采样保持电路最基本的形式是由一个开关和一个电容组成，电路的工作原理如下。在采样模式下，开关“打开”，创建允许电容跟踪输入电压的信号路径。当开关“关闭”时，会产生一个开路，将电容与输入隔离，从而将电路从采样模式改变为保持模式。 |
| C)比较器 |
| 比较器是SAR ADC中执行二进制搜索算法的重要组成部分。比较器在SAR ADC中比其他模块消耗更多的功耗。比较器根据模拟输入与参考电压的比较产生高或低的逻辑输出。 |
| 在一个理想的比较器中，增益无穷大，当输入电压高于参考电压时，比较器输出逻辑为1，当输入电压低于参考电压时，比较器输出为0。 |
| D)数模转换器 |
| 数模转换器的分辨率为8位。转换器被分为两个4位D/A转换器，以减少总面积。每个块可以独立下电，降低功耗。 |
| 在这个架构中，我们使用R-2R阶梯网络DAC。R-2R阶梯法的优点是只使用两个电阻值，大大简化了匹配或微调和温度跟踪的任务。由于R-2R DAC的输出是参考电压和数字输入字的乘积，R-2R阶梯DAC通常被称为MDAC。 |
| E) SAR逻辑 |
| 逐次逼近寄存器(SAR)控制逻辑依次确定每个比特。对于N位ADC, SA寄存器包含N位。每个比特有3种可能性，可以设置为“1?”，重置为“0?”或者保持它的值。在第一步中，MSB被设置为“1?而其他位则被重置为“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. |
| 根据比较器的结果，SAR控制器定义MSB值。如果输入高于DAC的输出，MSB保持在“1?”，否则重置为“0?”其余的位以同样的方式确定。在最后一个循环中，存储转换后的数字单词。因此，一个N位SAR ADC需要N+1个时钟周期来执行转换。 |
| 逐次逼近寄存器ADC采用SAR控制逻辑实现二进制搜索算法。一般来说，设计SAR逻辑主要有两种根本不同的方法。第一种由Anderson提出，由环形计数器和移位寄存器组成。这种SAR至少使用了2N个触发器，另一种由Rossi提出，包含N个触发器和一些组合逻辑。 |
实验结果 |
| A)运算放大器: |
| 设计中考虑的第一个方面是要满足的规格。在明确了规范的基础上，选择了标准CMOS运算放大器的电路拓扑，因为认为这样的设计可以满足规范要求，而且这样的放大器的设计相当简单。 |
| 图中NIN为非反相端，In为反相端，OP为运放输出端。 |
| B)样品保存 |
| 在下图中，电压跟随器放置在电容器之后，以避免负载对电容器的影响。所示电路从概念上说明了S/H操作。开关或采样器的打开和关闭由采样命令(即时钟)控制。 |
| 当开关关闭时(clk= " 1? ")，电容器C对输入信号进行采样和跟踪。当开关打开时(clk=?0?)，输出保持在电容在Vo处充电的电压，直到下一个采样脉冲到达(clk=?1?)。采样器关闭的时间间隔称为采样持续时间P。 |
| C)比较器 |
| 比较器根据模拟输入与参考电压的比较产生高或低的逻辑输出。SAR ADC中的比较器比其他块消耗更多的功耗。在SAR ADC中，我们必须设计比较器，使其消耗更少的功率。 |
| 比较器根据模拟输入与参考电压的比较产生高或低的逻辑输出。在一个理想的比较器中，增益无穷大，当输入电压高于参考电压时，比较器输出逻辑为1，当输入电压低于参考电压时，比较器输出为0。 |
| 在下图中，“In-”给于-ve端子，In+给于比较器的+ve端子，当In+ > In-时输出为Out(5伏)，当In+ < In-时输出为0伏。 |
结论 |
| 采用标准门限CMOS器件，避免了自举技术，在0.13um CMOS技术中实现了适用于超低电源电压的逐次逼近ADC。这种SAR ADC非常适合于生物医学应用，如起搏器，MRI和脑电图。在本文中，我们主要针对生物医学应用SAR ADC的低功耗比较器进行设计，因为相对于SAR ADC的其他部件，比较器在SAR ADC中的功耗更大。 |
数字一览 |
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参考文献 |
- Rudy van de Plassche，“CMOS集成模数转换器和数模转换器”第二版，施普林格国际版。
- John F. Wakerly，“数字设计原则与实践”，第三版，培生教育。
- Douglas a . pucknell&kamran Eshraghian，“基本VLSI设计”，第3版，Prentice Hall of India Pvt.Ltd。
- R.Jacob Baker, Harry W. Li, David E. Boyce，“CMOS电路设计、布局与仿真”
- Randall L.Geiger, Phillip E.Allen和Noel R.Strader，“模拟和数字电路的超大规模集成电路设计技术”，McGraw-Hill公司，1990。
- 张慧，秦亚杰，洪志亮。用于便携式应用的1.8 v 770 nw生物电位采集系统。生物医学电路与系统会议，2009:93
- 纳文·维尔马，A.P.钱德拉卡桑。用于无线传感器节点的超低能量12位速率分辨率可扩展SAR ADC。电子工程学报，2007,26 (6):344 - 344
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