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集成电路的低功耗设计变得日益重要。对于严格遵照摩尔定律向前发展的微处理器来说,单位面积功耗的不断增加使芯片的散热问题愈发棘手;而在当前的研究热点之一用于生物医疗领域的芯片设计中,系统功耗更是成为需要突破的瓶颈,因为给系统供电的电源因为系统的人体可植入性而变得难以更换,所以要求系统有最小化的功耗以尽可能长其使用寿命。本文主要讨论了在生物医疗应用中常用的电路模块带隙参考源、连续时间滤波器以及模数转换器的低功耗设计。
本文提出了一种新型结构的电压模式地电源电压低功耗带隙参考源。结构上采用PMOS管分压结构而减少了对电阻的使用,同时利用了工艺中的寄生NPN管使其能与CMOS工艺兼容。另外MOS管代替电阻有利于方便对输出电压的数字校准。在TSMC0.18μm MIX-SIGNAL,CMOS工艺下,通过后仿真验证该带隙参考源在-40～+125℃温度范围内能工作在1V电源电压下,室温下功耗约为16μW,输出电压107.6mV,能获得17ppm的温度系数。
本文提出了一种新型结构的超低功耗带通滤波器。结构上基于源跟随器使有源器件的使用数目相对于其它需要运算放大器(Op Amp)或跨导运算放大器(OTA)的实现方式大为减小,有利于降低功耗与噪声;通过构造局部正反馈来综合出高性能滤波器所要求的复极点。本文实现的4阶Butterworth带通滤波器经TSMC0.18μm MIX-SIGNAL CMOS工艺流片验证,芯片面积约410μm×340μm。在1V的电源电压下除偏置电路外消耗约14.4hA的电流,功耗为14.4nW。通带频率约为523～1024Hz,带内等效输入积分噪声约50μVrms,在80mVpp的输入下有约1％的三阶谐波失真,对应的动态范围约为55dB,适用于生物医疗器件的应用。与文献中报道的其它相似应用背景的滤波器相比有最好的品质因数(FoM)。
本文还初步研究了逐次逼近模数转换器(SA ADC)的低功耗设计。主要贡献是提出了系统中采用互补输入动态比较器,以满足单端输入SAADC的全摆幅输入范围(0～VDD),并且有利于降低功耗。在SMIC0.18μm EEPROM CMOS工艺下初步的后仿真显示,整个SA ADC的平均动态功耗约为271μW,输出信号的信噪比约为57dB,非线性INL和DNL在±1LSB之内。