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作为脑-机接口的重要组成部分,植入式/穿戴式生物医疗电子器件承担着对生物电信号的采集、处理以及传输等任务,而模/数转换器(ADC:Analog-to-Digital Converter)则是采集系统的核心模块。考虑植入式/穿戴式的特殊应用场合,生物医疗电子器件对内部ADC的功耗和面积都有一定的要求。此外,伴随着工艺尺寸的减小,电源电压逐渐下降,传统结构的ADC在电压域进行量化的工作方式面临着日益严峻的挑战。针对以上背景,本论文设计了一种基于压控振荡器(VCO:Voltage Controlled Oscillator)的10-bit ADC,主要设计方案和创新之处包括:1.本文基于模拟-时间-数字(ATD:Analog-time-digital)的方式完成模/数转换器的设计。通过电压域信号和时间域信号的转换,使量化过程完全在时间域内完成,不仅消除了低电源电压对电压量化带来的挑战,而且显著减少了整个转换器中模拟电路模块的数量和规模,能够有效减小芯片的面积;2.本文采用两个完全相同的单端输入VCO型ADC构成全差分结构,相比单端输入的ADC结构,全差分结构具有良好的抑制共模干扰和改善非线性的能力,能够优化整个ADC的信噪比;3.为了减小芯片面积,本文采用反相器作为延迟单元来构成三级环形VCO,并利用反相器结构的延迟负反馈来产生振荡波形。本文中的VCO电路结构简单、便于调节,在不改变电路整体结构的前提下,通过对延迟级数的调节即可实现振荡周期的改变;4.在数字电路部分,本文采取10-bit全减电路将两个单端ADC的数字输出转换成单端输出。为了克服传统减法电路结构复杂、面积大、功耗高等缺点,本设计提出了一种新型的基于多米诺连接结构的二进制减法器,能够显著减少MOS管的使用数量,进而减小芯片电路的功耗和面积。整个VCO型ADC采用0.18 μm标准CMOS工艺设计实现,分别利用Cadence和Matlab对ADC电路进行设计和仿真。在1-V电源电压下,当采样速率为25KS/s时,ADC的有效位数(ENOB)是9.17bit,信噪失真比(SNDR)是57dB。包括输出驱动电路在内,整个ADC的功耗是20.19 μW,品质因数(FoM)是0.39 pJ/conversion-step。本文设计的10-bitADC有源面积为270μmx100μm,具有显著的面积优势,非常适合植入式生物医疗电子的应用。