用于可穿戴医疗设备的10位SAR ADC的设计

摘要

如今，越来越多的人开始注重自身疾病的预防和早期发现，因而可穿戴式医疗设备有了越来越高的关注度及广阔的市场前景。人体是可穿戴设备的工作环境和载体，设备测得的人体健康指标多为模拟信号，因而需要一个性能良好的模数转换器，来实现从连续的模拟信号到离散的数字信号之间的转换，以便进行后续的数字信号处理。本文采用BCD1800.18μm CMOS工艺，实现了一个应用于可穿戴式医疗系统的10位异步逐次逼近型ADC，旨在实现低功耗、高精度的要求。
　　本文分析比较了几种目前常用的ADC的不同特点，最终选择使用SAR结构来实现设计，即逐次逼近型。按照SAR ADC的系统结构，设计主要分为三个部分，数模转换电路（DAC）的设计、比较器系统的设计和数字逻辑控制部分的设计，本文的设计重点是模拟电路部分。其中DAC采用改进的分段电容阵列式结构，比较器由预放大级、Latch锁存器和输出缓冲级三部分组成，一级预放大即可完成10位的电压分辨率，并且用输入失调消除的方法，能够消除10mV输入失调电压的影响。系统中引入了高低电平转换电路，可以使数字部分和模拟部分采用不同的电源电压，同时加入了power down信号以减少功耗。
　　本设计基于Cadence公司的Spectre电路仿真软件进行电路的设计和仿真，并对部分参数的不同工艺角进行仿真。ADC的电源电压为3.3V，输入范围是从0.5V至2.5V之间，时钟频率为20MHz，采样频率为500kHz，有效位数(ENOB)可达9.97 bit，积分非线性误差（INL）和微分非线性误差(DNL)均仅为?0.05 LSB，精度很高，功耗低至1.155 mW，信噪比（SNR）为61.92 dB，信噪失真比(SNDR)为61.80 dB，无杂散动态范围（SFDR）为79.59 dB，总谐波失真为(THD)-77.56 dB，均达到设计目标。

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第一章 绪论

第一节 选题背景及意义

第二节 可穿戴式医疗系统概述

第三节SAR ADC的研究现状及发展趋势

第四节 本文的研究内容及设计要求

第二章 ADC的种类及特性参数

第一节 ADC的基本概念

第二节 ADC的性能指标

第三节 ADC的分类及比较

第三章 数模转换电路（DAC）的设计与仿真

第一节 数模转换电路的原理及分类

第二节 DAC的设计及工作原理

第三节 开关的结构及设计

第四节 DAC的电路实现及整体仿真

第四章 比较器系统的设计与仿真

第一节 比较器的性能指标

第二节 比较器的结构及工作原理

第三节 比较器失调电压的消除

第四节 比较器的设计

第五节 电压转换电路的设计

第六节 比较器系统的电路实现及仿真

第五章 数字电路子系统的设计与仿真

第一节 触发器的设计

第二节 逐次逼近移位寄存器的设计

第三节 时钟控制电路

第六章 系统实现及仿真

第一节 系统电路实现

第二节 系统参数仿真

第七章 总结与展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果