【摘 要】
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在生物医疗的无线传感系统中,便携式、可穿戴或可植入式生物医疗设备广泛需要低功耗、中高精度（8-12 bit）模数转换器（Analog to Digital Converters,ADC）。逐次逼近型（Successive Approximation Register,SAR）模数转换器凭借其结构简单和能效高等优势深受青睐。在低电压下,通过时间数字转换器（Time to Digital Conver
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在生物医疗的无线传感系统中,便携式、可穿戴或可植入式生物医疗设备广泛需要低功耗、中高精度（8-12 bit）模数转换器（Analog to Digital Converters,ADC）。逐次逼近型（Successive Approximation Register,SAR）模数转换器凭借其结构简单和能效高等优势深受青睐。在低电压下,通过时间数字转换器（Time to Digital Converters,TDC）实现的时间域量化具有低功耗优势。论文设计了一款12bit 500KS/s采样率的低电压ADC,在系统架构上采用SAR ADC与TDC的混合结构,该结构结合了SAR ADC低功耗以及TDC在低电压下时间分辨率更大的特点。第一级SAR ADC完成9bit量化后,将电压余量转换为时间余量由第二级TDC完成剩余3.5bit量化,两级之间包含0.5bit冗余。论文提出了一种基于双向自举控制的低泄漏单次检测电压时间转换器（Voltage to Time Converters,VTC）。该VTC利用双向自举控制开关有效降低了泄漏电流,同时利用三态反相器作为阈值检测器降低了SAR ADC工作时电容阵列输出端变化的电压值对VTC产生误操作的概率,减小了动态功耗。采用双向自举控制模块后VTC的泄漏电流从原先的15n A降低到60p A,下降了两个数量级。电容阵列输出端电压能够稳定地保持,不会降低第一级SAR ADC的性能。第一级SAR ADC中的比较器采用时域比较器,可以实现不同输入值时比较器功耗的自适应调节,同时降低了比较器的失调电压。论文采用带校准支路的压控延迟单元构成的时域比较器可以保证比较器的工艺电压温度（Process,Voltage and Temperature,PVT）稳定性。基于TSMC 40nm CMOS工艺进行了电路和版图设计,核心版图面积为0.0443mm2。后仿真结果表明,在0.6V电源电压、500KS/s采样频率下,近奈奎斯特频率输入时,有效位数（ENOB）为10.56bit,无杂散动态范围（SFDR）为74.70dBc,信噪失真比（SNDR）达到了65.31dB,功耗为1.98μW,品质因数（FOM）为2.63fJ/conversion-step,满足了论文的设计指标要求。
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