应用于便携式生物医学系统的SAR ADC研究

摘要

在当代社会，随着社会老龄化程度的加剧，健康问题已经成为了人们关注的焦点，能够随时了解自身的健康状况也已经成为了人们的普遍需求。便携式生物医疗设备可以随时监测人体各种生物电信号，保护老人们的生命健康，所以一款高性能的便携式生物医疗监测设备也成为了许多家庭的刚需。
　　模数转换器(Analog-to-Digital Converter, ADC)是便携式生物医疗监测设备的核心。应用于便携式生物医疗设备的ADC芯片最主要的要求是：一、实现低功耗；二、精度达到8-10位。根据ADC芯片的相关要求，本论文决定采用SAR ADC结构，这种结构的ADC在低功耗设计方面有显著优势，并且在精度上也能满足便携式生物医疗芯片的要求。
　　本论文研究的主要内容是设计一款低功耗高精度SAR ADC。针对高精度低功耗SAR ADC的功耗与精度问题，本论文做了如下工作与创新：
　　一、通过对SAR ADC基本模块的分析，寻找ADC芯片的主要功耗和误差来源。
　　二、设计一种自校准比较器，通过外部校准电路来对比较器的失调电压进行校正，从而提高ADC的精度。
　　三、提出了一种应用于 DAC的电容拆分技术，通过拆分低位电容，实现 DAC电容阵列总电容容值的降低。通过拆分最低位电容和次低位电容可以实现总电容值降低为原容值的25%左右，从而实现电路的低功耗设计。
　　根据上述工作与创新，本论文设计一款采用0.18μm CMOS工艺的SAR ADC。后仿结果表明在50kS/s的采样频率下，其有效位数可以达到9.75位，其功耗为1.5μW，FOM为34fJ/Conv.-step。

目录

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第一章 引言

§1.1 选题背景及依据

§1.2 应用于便携式生物医学系统的ADC要求

§1.3 国内外研究现状

§1.4 论文主要内容及创新

§1.5 论文组织结构

第二章 ADC架构分析与选择

§2.1 ADC基本原理

§2.2 ADC主要种类

§2.3主要性能参数

§2.4 ADC架构的选择

§2.5 ADC结构分析

§2.5 本章小结

第三章 SAR ADC的基本电路模块及非理想因素分析

§3.1 采样保持电路

§3.2 比较器

§3.3 DAC电路

§3.4 数字控制逻辑

§3.5 本章小结

第四章 低功耗高精度自校准动态比较器设计

§4.1 比较器的低功耗设计

§4.2 比较器的高精度设计

§4.3 带自校准的低功耗高精度动态比较器设计

§4.4 比较器版图与仿真

§4.5 本章小结

第五章 低功耗高精度SAR ADC 设计与仿真

§5.1 本设计系统结构和原理

§5.2 基于电容拆分技术差分电容式DAC

§5.3 关键电路设计

§5.4 低功耗SAR ADC版图设计

§5.5 SAR ADC整体性能仿真

§5.6 芯片测试

§5.7 本章小结

第六章 总结与展望

§6.1总结

§6.2展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间主要研究成果