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传感器在现代社会中无处不在。在传感器网络中,各种传感装置的使用产生了大量的数据,都需要以高效率的方式捕获、处理、储存和交流。在农业信息监测、智能手环等应用环境中,以容量有限的电池或太阳能电池板供电的传感器系统对于功耗有严格的要求,低功耗是能保证设备续航和有效工作的前提。在信号采集系统中,几乎所有的信号采集协议都是由奈奎斯特定理决定的。但对于通常为时域稀疏信号的传感器输入信号而言,其核心电路奈奎斯特率ADC(Analog-to-Digital Converter)的采样速率远比待采集信号的信息速率高,这使得常规奈奎斯特率ADC的功耗效率受限。针对此种应用需求,本文针对适于时域稀疏信号的低功耗模拟-数字转换技术开展了深入研究。本文针对时域稀疏信号的模拟-数字转换技术,选定以SAR ADC(SuccessiveApproximation-Register ADC)为核心ADC架构,深入研究了SAR ADC的低功耗关键技术,主要包括:SAR ADC架构和原理在低功耗指标方面与输入信号特征的相关性;与输入信号相关的低功耗SAR ADC的功耗模型;SAR ADC核心模块的低功耗电路设计技术;压缩感知SAR ADC架构和理论分析;功耗调制型逐次逼近算法以及基于此的功耗调制型SAR ADC电路设计等,并取得了以下主要研究成果:(1)适于输入时域稀疏信号的SAR ADC的功耗模型研究:从ADC基本参数和采样原理入手,基于传感器等应用环境的要求,分析针对时域稀疏信号的ADC指标需求。将ADC应用与ADC架构相结合,理论分析SAR ADC的低功耗指标与输入信号之间的相关性,以及时域稀疏信号的自身相关性对SAR ADC功耗的影响。当输入信号为时域稀疏信号时,SAR ADC各个模块有可能根据时域信号的自身相关性相应调整工作模式以最优化功耗,从而得到SAR ADC功耗与转换速率、转换精度、DAC(Digital-to-Analog Converter)操作模式的模型,为下一步对功耗调制型SAR ADC的理论分析和设计建立了模型基础。在此模型基础上,提出SAR ADC还可以从采样速率和转换周期数方面通过调整架构和逼近算法来从系统层面降低功耗。(2)针对输入的时域稀疏信号自身相关性,研究基于输入信号特征和SAR ADC预测窗口动态调整SAR ADC的位转换周期数的技术思路,提出功耗调制型SAR ADC算法,建立兼容压缩感知采样算法的功耗调制型SAR ADC架构。功耗调制型逐次逼近算法在每次转换中先对输入信号进行预测和判断,若预测正确,则直接进入预测区间内的剩余位转换周期。预测的正确率与输入信号的频率分量和频谱分布都是正相关的。当输入信号为时域稀疏信号时,功耗调制型SAR ADC算法可以大幅降低SAR ADC工作周期数,从而降低功耗。因为功耗调制型SAR ADC不仅是奈奎斯特率ADC,还通过内部算法降低了工作频率,从而实现了无失真、全带宽的超低功耗SAR ADC设计,使得带宽和功耗两者兼得。在电路设计方面,功耗调制型SAR ADC的输入采样网络加入混频器,使其兼容于压缩感知采样算法,扩展了应用范围。(3)完成了一款低压低功耗的12位20kSPS功耗调制SAR ADC电路原型的设计与物理验证。该SAR ADC基于功耗调制型逐次逼近算法,实现了n W级别的超低功耗指标。该ADC设计在输入端将采样网络与压缩感知混频器结合,满足压缩感知采样算法要求,可以作为核心电路方便的嵌入生物医学信号采样系统中。ADC主要电路单元中:DAC采用二进制冗余的电容型DAC,以校正电路动态非理想因素;比较器采用了基于C类反相器的低功耗两级比较器,降低电路的静态功耗;逻辑电路依照压缩感知算法设计,一方面动态减小了SAR ADC内部的工作频率,从而减少动态功耗,另一方面通过设计低漏电的逻辑单元减小了SAR ADC逻辑电路静态功耗。该功耗调制型SAR ADC基于55nm标准CMOS工艺设计并流片。测试结果表明,在0.6V电源电压工作时,该芯片的功耗低至204nW,有效位为10.7位,功耗优值低至6.18fJ/conv-step。在测试中,同时测试了正弦波信号和ECG信号,验证了功耗调制逐次逼近算法和ADC的电路设计。