تحلیل و طراحی مبدل آنالوگ به دیجیتال تقریب متوالی برای کاربردهای پزشکی

مبدل آنالوگ به دیجیتال تقریب متوالی به علت استفاده از حداقل مدار فعال به صورت گسترده در کاربردهایی با توان مصرفی پایین استفاده می شود. در این رساله، توان مصرفی ناشی از سوئیچ زنی آرایه خازنی و همچنین رفتار غیرخطی ناشی از عدم تطبیق بین خازن های زیرمبدل دیجیتال به آنالوگ مورد استفاده در مبدل تقریب متوالی مورد تحلیل قرار می گیرد. در نتیجه تحلیل انجام شده، برای نخستین بار روابطی بسته برای مقدار توان مصرفی و همچنین پارامترهای رفتار غیرخطی از قبیل انحراف معیار inl و dnl برای سه ساختار با زیرمبدل آرایه خازنی دودویی که از عمومیت بیشتری برخوردار می باشند، ارائه می شود. همچنین، برای نخستین بار نشان داده می شود که چنانچه از آرایه خازنی یگانی استفاده شود، توان مصرفی زیرمبدل آرایه خازنی به دلیل کاهش فعالیت سوئیچ زنی به اندازه 37% نسبت به همتای خود در ساختار دودویی متعارف کاهش می یابد. در مقابل، دیکدر کد دودویی به کد دماسنجی مورد نیاز در ساختار یگانی باعث افزایش پیچیدگی و توان مصرفی این ساختار خواهد شد. لذا، نشان داده می شود که یک ساختار آرایه خازنی سگمنتال که در آن چند بیت با ارزش بیشتر به صورت یگانی و بقیه بیت های کم ارزش به صورت دودویی پیاده شوند یک ساختار بهینه خواهد بود. با محاسبه مقدار توان مصرفی ناشی از سوئیچ زنی خازن ها و همچنین توان مصرفی مربوط به دیکدر کد دودویی به کد دماسنجی در ساختار آرایه خازنی سگمنتال بر حسب تعداد بیت های پر ارزش که به صورت یگانی پیاده سازی می شوند، مقدار بهینه درجه تقسیم بندی نیز محاسبه می شود. بر اساس تحلیل های انجام شده و به عنوان یک بررسی موردی، یک مبدل تقریب متوالی 1 ولت، 10 بیت، ks/s100 در تکنولوژی 90nm cmos با آرایه خازنی سگمنتال طراحی و شبیه سازی شده است. شبیه سازی های مداری نشان می دهند که مقدار thd مبدل برابر با db8/60- و توان مصرفی آن µw35/2 است که موید کارایی ساختار ارائه شده می باشد. همچنین، یک ساختار جدید کم مصرف برای مبدل تقریب متوالی که بر اساس تفاضل مقادیر نمونه ها کار می کند طراحی، شبیه سازی و ساخته شده است. این ساختار برای کاربردهایی که در آنها سیگنال ورودی در بیشتر زمان ها آهنگ تغییرات کمی دارد، از جمله سیگنال های پزشکی، باعث کاهش توان مصرفی در زیرمبدل آرایه خازنی و همچنین مقایسه کننده می شود. بر اساس این ساختار جدید، یک مبدل 10 بیت ks/s1 در تکنولوژی 90nm cmos پیاده سازی و ساخته شده است. نتایج حاصل از اندازه گیری های آزمایشگاهی نشان می دهد که مقدار sndr و توان مصرفی در فرکانس نمونه برداری ks/s1 و فرکانس سینوسی ورودی hz5/249 به ترتیب برابر با db7/51 و nw 88 می باشد.