In this thesis, we will discuss the low-power design technique for the analog-to-digital converter of successive approximation registers (SAR) type for efficient bio-signal acquisition. The proposed design scheme also proposes an architecture-level approach to realize low power operation in addition to the circuit-level approach.
In Chapter 1, we introduce a low-power SAR analog-to-digital converter (ADC) simply and discuss the design issues of the SAR ADC. Also, background and significance of biomedical application is presented.
In Chapter 2, the three low-power design techniques for successive approximation registers (SAR) analog-to-digital converter (ADC) for bio-potential signal acquisition are presented: skip-reset, delta ($\delta$) readout with MSB-rounding and tri-level split monotonic switching. The skip-reset scheme reduces not only reference energy but also digital switching energy for the ADC reset. The $\delta-readout$ process with the proposed MSB-rounding technique shifts the location of the resolvable range using the previous digital code to increase the hit-rate. Finally, the tri-level split monotonic switching scheme minimizes the CDAC switching activity in predictive residue generation for the $\delta-readout$ process. A prototype ADC was fabricated in a 0.18um CMOS technology and occupies an active area of $0.17mm^2$. At a 1.5V supply voltage and a 1 kS/s sampling-rate with the ECG signal input, the ADC power consumption could be reduced to 18.5 nW, corresponding to 71 % power saving, owing to the proposed techniques from a conventional SAR ADC consuming 63.5 nW.
In Chapter 3, the oversampled SAR ADC architecture with loop-embedded input buffer for low power application is presented.
In Chapter 3, we propose a structure of analog-to-digital converter with a built-in input buffer. To implement a low power bio-system, this is a structure study that can replace the large input buffer with low power consumption by the energy-efficient input buffer. This study overcomes the conventional structure using current DAC and succeeded in realizing low power using capacitor DAC. In addition, the proposed low-power source follower has a full-range input range even at low supply voltage conditions, thus enhancing its applicability in bio-systems.
본 학위논문에서는, 효율적인 생체 신호 획득을 위한 축차 비교형 아날로그-디지털 변환기의 저전력 설계 기법에 대해 다루고자 한다. 제안하는 설계 기법은 변환 구동 측면에서의 접근법과 더불어 구조적으로 저전력 구동을 실현하는 접근법 또한 제안한다.
1장에서는 저전력 구동을 특징으로 하는 축차 비교형 아날로그-디지털 변환기 및 생체 의료 응용분야에 대해서 간략히 소개한다.
2장에서는, 생체 전위 신호 획득을 위한 축차 비교형 아날로그-디지털 변환기의 3가지 저전력 설계 기술을 제안한다: 초기화 생략 기법, MSB 반올림 기법, 3-레벨 스위칭 기법. 초기화 생략 기법은 ADC의 초기화 동작에 필요한 reference 에너지 뿐만 아니라 디지털 로직의 에너지도 절약할 수 있다. 제안된 MSB 반올림 기법은 이전 디지털 코드를 현재 샘플의 변환 동작 시에 사용하는 Δ-판독 프로세스의 적중률을 높인다. 마지막으로, 3-레벨 스위칭 기법은 $\delta-판독$ 프로세스를 위한 예측 잉여 생성 동작시에 소모되는 CDAC의 스위칭 전력을 최소화시킵니다. 프로토 타입 ADC는 0.18um CMOS 기술로 제작되었으며 $0.17mm^2$의 영역을 차지합니다. ECG 신호를 입력으로 하고 1.5V 공급 전압 및 1kS/s 샘플링 속도로 동작할때, 제안된 기법들을 통해 ADC 소비 전력은 기존 SAR ADC의 소비 (63.5 nW) 대비 71% 감소한 18.5nW로 감소됨을 확인하였다.
3장에서는, 입력 버퍼가 내장된 구조의 축차 비교형 아날로그-디지털 변환기 구조를 제안한다. 이는 2장에서 제안한 SAR ADC를 bio-system에 적용하기 위해 전력 소모와 면적 소모가 큰 입력 버퍼를 저전력 입력 버퍼로 대체할 수 있는 구조 연구이다. 본 연구는 기존의 current DAC을 이용한 구조를 극복하고, capacitor DAC을 이용하여 저전력 구현을 성공하였다. 또한, 제안한 저전력 source follower는 낮은 공급 전압 상황에서도 full-range의 입력 범위를 갖기 때문에 bio-system에서의 적용 가능성을 끌어올렸다.