帶模擬后臺(tái)校正的14位低功耗SAR ADC設(shè)計(jì).pdf

1、隨著生物醫(yī)療設(shè)備的小型化、便攜化以及可穿戴設(shè)備的發(fā)展和普及，對(duì)生物電信號(hào)的采集、量化和特征提取變得非常重要。為了得到準(zhǔn)確的生物電信號(hào)進(jìn)行特征提取，系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)較高的精度；由于電池供電的限制，系統(tǒng)需要低功耗設(shè)計(jì)。ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）作為信號(hào)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊，占據(jù)了很大一部分功耗，而在所有類型的ADC結(jié)構(gòu)中，SAR ADC（逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器）在功耗、精度之間有良好的折中，所以它非常適合中高精度、低功耗的應(yīng)用。
　　本研究提出了一

2、種新型的模擬后臺(tái)校正算法并且基于該校正算法在 CMOS40nm工藝下實(shí)現(xiàn)了一款14位低功耗SAR ADC設(shè)計(jì)。對(duì)于電荷重分配型SAR ADC，電容的匹配精度對(duì)系統(tǒng)的線性度至關(guān)重要，電容失配成為實(shí)現(xiàn)中高精度SAR ADC的重要限制因素之一，于是電容失配校正算法不可或缺。本論文調(diào)研了三種主要的電容失配校正算法，包括模擬前臺(tái)校正算法、模擬后臺(tái)校正算法和數(shù)字后臺(tái)校正算法，分析對(duì)比了它們的原理和優(yōu)缺點(diǎn)，并且根據(jù)本次設(shè)計(jì)的應(yīng)用環(huán)境提出了一種新型的模

3、擬后臺(tái)校正算法。經(jīng)過MATLAB建模和電路實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了該校正算法可以很好地消除電容失配對(duì)系統(tǒng)線性度的影響，滿足實(shí)現(xiàn)14位SAR ADC的設(shè)計(jì)要求。其次，采樣開關(guān)的線性度和比較器的精度也是限制系統(tǒng)線性度的主要因素，于是該SAR ADC采用柵壓自舉結(jié)構(gòu)，提高采樣開關(guān)導(dǎo)通電阻的線性度，從而提高采樣的線性度；比較器采用兩級(jí)前置運(yùn)放加鎖存器（Latch）的結(jié)構(gòu)，從而減小了 Latch的噪聲和輸入失調(diào)電壓。最后，為了滿足生物醫(yī)療的應(yīng)用環(huán)境，本論文中

4、采取了一系列降低系統(tǒng)功耗的措施，例如，該SAR ADC采用0.8V的低電壓電源供電；該SAR ADC采用共模電壓復(fù)位的DAC結(jié)構(gòu)，減少電容陣列的電容個(gè)數(shù)從而減小DAC的切換次數(shù)和功耗；比較器采用鐘控結(jié)構(gòu)；數(shù)字邏輯采用堆棧式結(jié)構(gòu)從而減小漏電。基于HSPICE仿真結(jié)果，在300 kS/s的采樣頻率下和0.8V的電源電壓下，該SAR ADC的無雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）為94.1dB，信噪失真比（SNDR）為80.8dB，有效位數(shù)（ENOB）為