تحلیل و طراحی مبدل های آنالوگ به دیجیتال آسنکرون با نمونه برداری عبور از سطح

با توجه به تقاضای رو به رشد برای طراحی سیستم های کامل بر روی یک تراشه (soc)، لزوم ساخت مدارات مجتمع با توان مصرفی بسیار پایین بیش از پیش مورد توجه طراحان قرار گرفته است. مبدل های آنالوگ به دیجیتال (adc) یکی از اجزاء ضروری در این سیستم ها هستند که وظیفه انتقال اطلاعات از حوزه آنالوگ، به یک پردازش گر دیجیتال توان- پایین را بر عهده دارند و بسته به کاربرد می توانند سهم زیادی از توان مصرفی سیستم را به خود اختصاص دهند. انتخاب نوع مناسب نمونه برداری و ساختار مناسب برای مبدل های آنالوگ به دیجیتال می توانند نقش مهمی را در کارآیی کل سیستم ایفا کنند. تاکنون روش های متعددی به منظور پیاده سازی مبدل های آنالوگ به دیجیتال ارائه شده است که با انتخاب روش مناسب و با توجه به کاربرد مبدل و مشخصات مورد نیاز طراحی، می توان به یک طراحی مناسب از نظر توان مصرفی، سطح اشغالی و پیچیدگی دست یافت. این روش ها اغلب بر پایه نمونه برداری سنکرون از سیگنال ورودی استوار شده اند که در آن صرفنظر از میزان فعالیت سیگنال ورودی، نمونه برداری و تبدیل اطلاعات با یک سرعت ثابت صورت می پذیرد. هدف از این رساله، طراحی و بهینه سازی نوع جدیدی از مبدل ها، با نام مبدل آنالوگ به دیجیتال عبور از سطح است که با توجه به ویژگی های منحصر به فرد آن، بخصوص در چند سال اخیر مورد توجه طراحان قرار گرفته است. در این نوع مبدل، نرخ نمونه برداری از سیگنال ورودی وابسته به میزان فعالیت سیگنال ورودی است. این ویژگی سبب بهبود قابل توجه کارآیی در سیستم های اکتساب داده ای می شود که بر روی سیگنال های تُنُک و قطاری-شکل عمل می کنند. با این وجود، با توجه به این که مدت کوتاهی از توجه طراحان مدار به این نوع خاص مبدل می گذرد، چنین به نظر می رسد که می باید هنوز مسیری طولانی در یافتن کاربردهای مناسب برای به خدمت گرفتن این مبدل و اثبات کارآیی این مبدل در آنها و همچنین دستیابی به یک مدل دقیق، طراحی بهینه و پیاده سازی مطابق با خصوصیات تکنولوژی های مدرن برای این مبدل، طی شود. در این رساله پس از ارائه توضیحاتی در مورد نحوه عملکرد و نکات مورد توجه در پیاده سازی مبدل های آنالوگ به دیجیتال عبور از سطح، به ارائه یک مدل کامل تر و دقیق تر از تاثیر عوامل مختلف خطا بر عملکرد این مبدل پرداخته شده است. همچنین با بررسی عوامل موثر در تعیین مشخصه های این مبدل، به تشریح یک پروسه پیشنهادی برای طراحی این مبدل ها برای کاربردهای خاص پرداخته شده است. همچنین برای نشان دادن کارآیی این نوع نمونه برداری و تبدیل در یک سیستم کامل، یک سیستم تبدیل سیگنال آنالوگ به اطلاعات دیجیتال برای آشکارسازی qrs از سیگنال ecg طراحی و پیاده سازی شده است. با استفاده از الگوریتم آشکارسازی ارائه شده در این سیستم، به دقت آشکارسازی 98.3 %، حساسیت 98.89 % و پیش بینی مثبت 99.4 % دست یافته ایم. با پیاده سازی این سیستم در تکنولوژی cmos 0.13 µm و ولتاژ تغذیه 1.2 v، توان مصرفی و سطح اشغالی سیستم به ترتیب برابر با 635 nw و 0.136 mm2 به دست آمده است. همچنین یک ساختار جدید برای مبدل آنالوگ به دیجیتال عبور از سطح برای کاربردهای دقت بالا و فرکانس پایین ارائه شده است که به اختلاف بین آفست مقایسه گرها، که یک عامل خطای مهم و پر هزینه در دستیابی به دقت های بالا است، حساس نیست. همچنین سطح سیلیکون اشغالی این ساختار در حدود نصف سطح سیلیکون اشغالی به وسیله ساختارهای متعارف است. این مبدل در تکنولوژی cmos 0.18 µm با ولتاژ تغذیه 1.8 v و برای کاربرد اکتساب داده از سیگنال ecg طراحی و پیاده سازی شده است. توان مصرفی این مبدل با بیش از 8 بیت enob، برابر با 81 nw است.