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随着生物医疗系统和可穿戴设备的发展,对生物电信号的获取变得非常重要。这些系统通常用电池供电,因此需要低功耗设计。模数转换器(ADC)是这些低功耗系统中能实现模数信号转换的关键接口,要求其有中高精度和低功耗的性能。在各种ADC结构中,逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)在速度、精度和功耗之间有良好的折中,非常适合中高精度、低功耗场合的应用。本文基于0.13μm CMOS工艺,设计了一款工作在0.5V电源电压下,分辨率10位,采样速率1MS/s的低功耗SAR ADC。本文设计的SAR ADC有两个通道,信号通道(CHs)和时间通道(CHt),每个量化周期输出两比特数据(2b/cycle)。CHs用于对输入信号的采样和实现逐次逼近逻辑,CHt用于对参考电压的采样,产生每个比较周期需要的参考电压进而得到参考时间。本设计利用CHs中的比较器在比较不同大小信号时的延时差包含的1比特信息来实现电压域量化的同时得到时域量化结果,通过增加的CHt,实现2b/cycle。采用电容分裂式DAC阵列,与传统的下极板采样相比,电容数目减少一半,同时保证了DAC电容切换的单调性,减小了芯片面积和DAC动态功耗。为了提高采样的线性度,采样开关采用栅压自举结构。比较器采用前置运放加锁存器的两级结构,减小了锁存器噪声和失调电压对比较器分辨率的影响。为了降低数字电路的功耗,采取了一系列措施。采用0.5V低压电源供电;优化数字电路逻辑结构,使其电平翻转次数最少;为了减小晶体管的漏电,数字逻辑门电路采用堆栈结构。结合2b/cycle SAR ADC的DAC切换特点,优化了DAC开关切换逻辑,减小了DAC电容开关切换次数。本文设计的SAR ADC采用0.13μm CMOS工艺进行流片,芯片整体面积为1.15mm~2,核心电路面积只有0.21mm~2。基于Hspice后仿结果表明,在1MS/s的采样频率和0.5V电源电压下,SAR ADC的无杂散动态范围(SFDR)为77.88 dB,信号噪声失真比(SNDR)为60.77 dB,有效位数(ENOB)为9.80 bits,功耗为9.61μW,FoM值为10.78fJ/Conversion-step。