针对时域稀疏信号的事件驱动型模数转换器的研究

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近年来基于传感器网络的应用日益丰富,这在极大程度上提高了人们的生活品质。在一些特定应用中(诸如:天气预报,地壳监测,植入式生物信号采集等),传感器由电池供能。因此设备功耗的高低成为其应用成败的关键。超低功耗技术可以延长电池的使用周期,进而降低成本。可视为一个较优的解决方案。模拟/数字转换器是传感器中不可或缺的模块。且由于其数据形式决定了随后的数据传输以及数据处理方法,因此这一模块功耗的高低以及采样点数的多少将会直接影响整个传感器的工作性能。通过对输入信号进行短时傅里叶分析可知,很多信号并非在所有时段都是按照全时段的最大频率变化的。因此如果不加区分地统一使用奈奎斯特采样率进行采样,势必会浪费功耗。而事件驱动型模拟/数字转换器着眼于信号的时域,能够根据信号在不同时段的活跃度调整采样频率,适用于对时域稀疏信号进行采样。本文深入探讨了决定事件驱动型模拟/数字转换器功耗的关键因素,即比较器的数目。并通过仅使用一个高精度比较器的方式设计了两种全新的事件驱动型模拟/数字转换器。其中一种自适应事件驱动型模拟/数字转换器芯片不仅系统架构是全新的,其电路实现上也包含多个针对超低功耗系统的创新点。这一采样系统经过CMOS 0.18μm Mixed-signal 1P6M工艺流片。实现了在供电电压为0.8V,输入为50Hz正弦波的情况下,其功耗为50nW,有效芯片面积0.03mm~2,有效比特数5.8bits。该芯片最高可处理信号的频率为10k Hz。而在近年来国际知名期刊所发表的同类型的模拟数字转换器中,最低功耗为220nW,最小有效芯片面积0.045mm~2,且两个指标来自不同设计。此外,我们还提出了另外一种转换器架构,其电路控制更为简单,亦实现了时域稀疏信号的正确采样。
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