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文丨见过世面的big龙

编辑丨见过世面的big龙

前言

医疗植入物和便携式无线传感器是最重要的生物医学应用，由于对有限电池寿命的依赖，必须更加关注能效集成电路设计，关注影响电池寿命的功耗和生物医学应用的散热。

一种基于压控振荡器的模数转换器的高能效实现，可将收集到的模拟生命体征转换为数字数据以进行数字信号处理，采用电流匮乏方案来高效实现五级压控振荡器，从而大大节省功耗和面积，并提出了D触发器方案来简化所提出的复位计数器的硬件架构。

模数转换器在生物医学中的应用

技术发展的主要关注点是生物医学应用，以提高医疗服务质量，生物医学应用包括监测人体生命体征和处理生理数据并传输信息以实现便携式健康监测。

由于大多数生物医学设备都是便携式电池供电设备，因此所有架构都需要节能实施，由于所有重要信号都是模拟信号，因此从模拟形式到数字形式的转换能力对于实现数字化进步是必要的，模数转换器是大多数生物医学设备的基本组件，在数字处理中发挥着重要作用。

它们将真实的模拟信号连接到数字域，传感器节点是无线体域网系统中的常见组件，它们充当生物传感的前端，从传感器收集数据并通过网络传输数据，模数转换器的任务是将传感器收集的模拟信息转换为数字数据以便直接处理。

可以使用多种模数转换器技术来实现模数转换，生物医学应用模数转换器设计的严重限制是功耗，人们提出了各种模数转换器架构来权衡转换速度和功耗，每种类型的模数转换器在特定的采样率和分辨率范围内表现最佳。

一些模数转换器在高分辨率下高效，但仅在低采样率下有效，而其他模数转换器速度非常快，但在高分辨率应用中效率低下，基于压控振荡器的模数转换器是一种很有前景的架构可实现高能效。

模拟输入在第一级被转换为变频输出，利用压控振荡器来执行此操作，第二级采用复位计数器将压控振荡器产生的变频脉冲转换成数字代码，为生物医学应用设计和实现一种基于压控振荡器的节能模数转换器。

模数转换器的工作原理

基于时间的模数转换器被视为间接型模数转换器，因为它通过间接方式将模拟信号转换为数字信号，模拟输入被转换为时间或频率的线性函数，然后被转换为输出代码，即数字输出，

基于压控振荡器的模数转换器被认为是基于时间的模数转换器架构的重要类型，使用压控振荡器作为电压频率转换器，使用复位计数器作为频率数字转换器，电压频率转换器是一种压控振荡器，其频率与输入电压成线性比例。

振荡器的频率由模拟变化输入信号调制，然后使用数字计数器对振荡器的脉冲进行计数，计数器在每个采样周期重置，计数器输出代表压控振荡器频率，从而代表模拟输入信号。

由于其高集成度和低功耗，压控振荡器在不同的应用领域中发挥着至关重要的作用，该电子设备中使用谐振电路，放大和反馈来产生以特定频率重复的电压波形，施加的电压可以改变频率或每单位时间的重复率。

基于时间的模数转换器以及几乎所有数字和模拟系统都依赖于压控振荡器，压控振荡器可以通过两种主要类型来实现，即LC压控振荡器和环形压控振荡器。

放大器用于使用电感器和电容器构建LC压控振荡器，利用电感器和电容器，产生非常高频率的压控振荡，对于正弦波输出这种架构是优选的，因为它可以集成低相位噪声和高稳定性，这些都是以功耗和面积为代价的。

另一方面环形振荡器由彼此串联连接的奇数个反相器构成，通过组织逆变器栅极电容的充电和放电来工作，增加反相器的奇数个数，充电电流增加了栅极电容充放电的时间，频率降低，这种类型的压控振荡器可以在不牺牲功率和面积的情况下实现较宽的工作频率范围。

振荡频率取决于每个逆变器级引入的延迟，因此延迟应该是电压控制的，控制延迟的一种方法是控制可用于对每级电容性负载充电或放电的电流量，这种类型的电路称为电流匮乏环形压控振荡器 ，电流匮乏环形压控振荡器使用可变偏置电流来控制其振荡频率。

调频信号通过频率数字转换器转换为数字代码，在采样间隔期间频率数字转换器对调频信号的上升沿进行计数和量化，频率数字转换器频率数字转换器由一个复位计数器和一个寄存器组成，电压频率转换器输出脉冲由数字计数器计数。

每隔一个采样周期将计数器中累积的脉冲数输出到寄存器，然后将计数器复位，寄存器中的代码代表压控振荡器频率的等效值，也代表该样本中的模拟输入信号的等效值，通常复位计数器是通过使用D触发器来实现的。

当输入电压处于最低电平时，压控振荡器输出频率被调整为等于采样频率，一个周期被馈送到计数器，该计数器生成对应于数字输出的一个计数，而如果输入电压处于最大电平，压控振荡器会产生等于采样频率16倍的输出频率，计数器输出16个计数代表对应于数字输出。

基于压控振荡器的模数转换器的设计

为了获得更高线性度的调谐范围，采用五级电流饥饿型压控振荡器方案来构造电压频率转换器，由晶体管组成的第一级是偏置电路，对于向每一级提供电流至关重要，输入接受从最小电压到最大电压的输入电压控制扫描。

只要输入电压增加，漏极电流就会增加，输出频率也会增加，一个二极管连接的晶体管将漏极电流镜像到下一级，在电流匮乏的压控振荡器之后放置一个反相器，将模拟输出调制信号转换为方波。

使用四个D触发器来构建一个能够读取数字输出的四位计数器，计数器最多可以有两倍于 计数器中触发器的不同状态。

使用四个带有异步复位的D触发器的频率数字转换器实现，D触发器具有三个输入以及两个输出，在时钟的上升沿，输入数据传输到输出Q，Reset_bar输入是异步的，但不依赖于时钟的上升沿，并且其低电平有效在零运行。

所有触发器的时钟输入都是级联的，每个触发器的D输入都连接到触发器的状态输出之一，时钟信号的每个有效边沿或正边沿都会切换触发器，第一个触发器连接到时钟输入，时钟信号通过前一个触发器输出输入到计数器中的其他触发器。

当时钟信号有正沿时，第一个触发器的输出将改变，构建D触发器的主要组件是3输入与非门和2输入与非门，压控振荡器的输出是正弦波，其输出频率与输入采样电压成正比，并由位于电流匮乏的压控振荡器之后的反相器转换为调频脉冲。

输入电压控制范围为0.4V至1.2V，相应的输出频率分别为几乎100MHz至1.6GHz，注意到通过调整晶体管的尺寸，最小频率接近采样频率，最大频率接近于采样频率的16倍，表明压控振荡器输出具有良好的分辨率，还获得了良好的线性调谐曲线。

D触发器电路已通过使用3输入和2输入来实现，输入数据“D”在时钟的每个上升沿传输到输出Q，如果异步reset_bar设置为0，则无论时钟的上升沿如何，输出都会变为0。

计数器用于对压控振荡器在采样时钟周期内为特定输入信号生成的上升沿数量进行计数，在每个周期结束时，采样寄存器读出计数器值并将计数器重置为零。

复位计数器是通过使用四个级联的D触发器来实现的，四位计数器从0计数到15，并且只要reset_bar处于低电平有效，计数器就返回到零，模数转换器由电流匮乏的压控振荡器和后面的复位计数器组成。

基于压控振荡器的模数转换器的简单实现通过降低功耗来超越电池寿命，这使其更适合生物医学应用。

提出了一种高效的电流匮乏方案来实现五级压控振荡器，并提出了一种简单的D触发器方案来简化所提出的复位计数器的硬件架构，因此功耗降低从而延长了电池寿命，面积减少使得它更适合完全植入的生物医学设备。

结语

为生物医学应用设计了一种基于时间的间接模数转换器电压频率转换器是通过使用五级电流匮乏型压控振荡器来实现的，以便将输入电压调制脉冲转换为频率频率，然后使用复位计数器对这些脉冲进行计数，并将频率变化的脉冲转换为与输入采样电压等效的数字代码。

基于压控振荡器的模数转换器通过降低功耗简单实现了延长电池寿命，同时降低了散热需求，而且与传统装置相比更小，更适合生物医学应用。

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