适用于生物电信号采集的低功耗10 bit 40 KSs SAR ADC设计.docx

"生物电信号采集系统中的低功耗10 bit 40 KS/s SAR ADC设计" 本文研究提出了一种混合型切换方式，基于TSMC 0.18μm CMOS工艺设计了一款10 bit分辨率、40 KS/s采样率的低功耗SAR ADC，满足生物电信号采集系统高分辨率和低功耗的要求。 本文设计的SAR ADC主要包括栅压自举开关、数模转换器(DAC)电容阵列、比较器和数字控制逻辑等模块。为了提高信号采样的线性度，采用了栅压自举开关来代替传统的传输门开关实现信号的精准采样。为了满足低功耗设计的要求，该款ADC采用了一种新型的混合型电容切换方式，该切换方式将共模电平单调向下切换与基于共模电平切换方式相结合，有效地降低了电容阵列切换的功耗。 在实际的采样开关设计中，线性度是最重要的性能指标之一。保证良好的线性度就是要保证采样开关的RC时间常数恒定，即保证采样开关的导通电阻恒定。保持导通电阻值的恒定就是要保证MOS开关的栅极与源极之间的电压保持恒定。栅压自举开关正好可以解决这个问题，使得开关管的栅极与源极之间的电压保持恒定，也就保证采样开关的导通电阻恒定。 单位电容的取值范围可以根据采样开关的KT/C热噪声与量化噪声的关系来确定。KT/C热噪声与量化噪声的关系如公式（1）所示，可以得到单位电容Cu必须大于0.016 fF。通常单位电容的取值都会远远满足这个要求。为了进一步得到单位电容的合理取值范围，需要考虑单位电容之间的失配误差。根据文献[6], ADC的差分非线性(DNL)与单位电容失配误差之间的关系如公式（2）所示，可以得到单位电容Cu取值须大于8 fF。 综上，该款ADC单位电容的取值是10 fF。电容切换方式为了减小电容阵列切换的功耗，本文提出了一种新型的混合型电容切换方式。在文献[4]介绍的共模电平单调向下切换方式中，DAC电容阵列将一个单位电容用作dummy电容，该单位电容不做任何切换，只是固定连接到。该混合型电容切换方式可以使电容切换耗能降低90.7%，与传统共模电平不变的电容切换方式相比，可以使电容切换耗能降低50.2%和25.3%。 该款低功耗SAR ADC在生物电信号采集系统中的应用具有非常重要的意义，可以满足生物电信号采集系统高分辨率和低功耗的要求，提高生物电信号采集系统的性能和可靠性。本文的研究成果可以为生物电信号采集系统的设计和开发提供重要的参考和借鉴。