Σχεδίαση μεικτών αναλογικών/ψηφιακών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων χαμηλής τάσης και κατανάλωσης για βιοϊατρικές εφαρμογές

Abstract

Κυκλώματα με χαμηλή ισχύ και χαμηλή τάση τροφοδοσίας θεωρούνται υποχρεωτικά για βιοϊατρικές εφαρμογές με σκοπό την ενίσχυση του συστήματος για μακρά διάρκεια ζωής και λιγότερη κατανάλωση ενέργειας. Συνεπώς, η επιλογή της σωστής αρχιτεκτονικής ADC (Analog-to-Digital Converter) είναι πολύ σημαντική. Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται εκτενής παρουσίαση των δομών και της λειτουργίας των ADC, αναλογικών σε ψηφιακών μετατροπέων. Ιδιαίτερα μελετάται η σχεδίαση αναλογικών κυκλωμάτων του Successive Approximation ADC για βιοϊατρικές εφαρμογές σε τεχνολογία CMOS. Παρουσιάζονται οι τεχνικές σχεδίασης, οι προδιαγραφές σχεδίασης ανάλογα με την εκάστοτε εφαρμογή και οι διαφορές αυτές που κάνουν την κάθε υλοποίηση ADC ξεχωριστή. Συγκεκριμένα, η χαμηλή κατανάλωση ισχύος, η ταχύτητα, η ακρίβεια και το μικρό κόστος κατασκευής είναι από τα κριτήρια που μας έχουν απασχολήσει στη συγκεκριμένη εργασία. Το κύριο τμήμα της εργασίας αποτελεί η σχεδίαση του Συγκριτή (Comparator), του τελεστικού ενισχυτή και του DAC (R2R Ladder με MOSFET) σε τεχνολογία CMOS 180nm με τη βοήθεια του πακέτου σχεδίασης CADENCE DESIGN SYSTEM, χρησιμοποιώντας το EKV3 MOSFET συμπαγές μοντέλο. Τα σχεδιασμένα κυκλώματα εμφανίζουν αποτελέσματα συγκρίσιμα με υπάρχουσες υλοποιήσεις δίνοντας κίνητρο για εξέλιξη της εργασίας.

Circuits with low power and low voltage operation are considered mandatory for biomedical applications in order to strengthen the system for longer life and less power consumption. Therefore, selecting the right ADC (Analog-to-Digital Converter) architecture is very important. This thesis is an extensive presentation of the structure and the operation of ADCs, analog to digital converters and studied design of analog circuits for Successive Approximation ADC for biomedical applications in CMOS technology. Design techniques and specifications are presented depending on the intended application and these differences make each ADC implementation unique. Specifically, low power consumption, speed, accuracy, and low cost of construction is one of the criteria we've addressed in this paper. The main part of the thesis is the design of the comparator (Comparator), the operational amplifier and DAC (R2R Ladder with MOSFET) at 180nm CMOS technology, using the electronic design automation software CADENCE DESIGN SYSTEM in conjunction with the EKV3 MOSFET compact model. The designed circuits show results comparable to existing implementations giving incentive job progress.