SUPERVISOR
Rasoul Dehghani
رسول دهقانی (استاد راهنما)
STUDENT
Ahmadreza Danesh
احمدرضا دانش
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
TITLE
Design of an Ultra-Low-Power Clockless Level-Crossing Analog to Digital Converter for Biomedical and Internet of Thing Applications
Supervisor: Dr. Rasoul Dehghani (dehghani@cc.iut.ac.ir) Electrical circuits in biomedical applications contribute to remedy for some diseases such as Epilepsy, Parkinson, and Alzheimer in a faster, easier, and more reliable way. Since these circuits are usually implantable, they must comply with human body features and patient safety rules. Among designing rules for implantable devices, small occupation area and low power consumption are the most significant principles that must be taken into account. The small size of the implanted device causes body tissue damages to be reduced during the implantation, and low power consumption helps eliminate the use of batteries in the circuit. In addition, low power dissipation means lower heat production that is essential for the patients’ health. To reduce power consumption, diverse circuit-designing methods and various signal-processing patterns can be employed. Among these procedures, using Level-Crossing Analog to Digital Converters (LC-ADCs) that sample and quantize the input signal in the amplitude domain (voltage or current) rather than the time domain results in saving power especially in applications, which deal with analog sparse signals such as brain neural signals or signals in the internet of thing. Sparse signals due to having sharp changes in the time domain include extremely high-frequency components. Therefore, using conventional Analog to Digital Converters (ADCs), which use time-domain sampling methods, is not a good choice. This idea can be simply proved by considering the Nyquist sampling rate and the need for using a sampling frequency of at least twice the input signal frequency to reconstruct the original analog signal. In fact, existence of high-frequency components in the analog environment forces the circuit designer to use a high sampling frequency that leads to considerable increase of the power consumption. In LC-ADC architecture, by sampling in amplitude domain, a new sample is generated when the input signal crosses a predetermined threshold level. Thus, in these ADCs, using Nyquist sampling rate is not mandatory, which lessens the circuit power consumption. In this thesis, a high-bandwidth low-power clockless LC-ADC is presented in which the offset-sensitive power-hungry voltage comparators are replaced by just one current comparator. The designed circuit does not need any fixed-frequency clock pulse that reduces both circuit complexity and electromagnetic interferences. In the proposed circuit, a novel up/down counter is designed consisted of both synchronous and asynchronous counters. Owing to having low capacitive loading, the designed counter can be easily driven without any power-consuming buffer. Moreover, the proposed LC-ADC contains a Digital to Analog Converter (DAC), which provides a recursive feedback network. The DAC includes both binary and unit-element architectures without using any passive component. Furthermore, the designed LC-ADC is able to provide various resolutions for different input bandwidths that makes it an appropriate candidate for a wide range of applications. Simulated in a CMOS standard process, the circuit only consumes 580 nW from a 0.5V power supply for converting a 10 kHz analog input signal to digital quantities with the Effective Number of Bit (ENoB) of 10.5 bits. Keywords: Adaptive-Sampling, Sparse-Signal Processing, ADC, Current-Mode Processing, Low-Power Counter
مدارهای الکتریکی در کاربردهای پزشکی به درمان سریعتر، سادهتر و قابلاطمینانتر برخی بیماریها همچون صرع، پارکینسون و آلزایمر کمک میکنند. با توجه به اینکه این مدارها معمولاً قابل کاشت هستند باید از ویژگیهای بدن انسان و قوانین ایمنی بیمار تبعیت کنند. در میان قوانین طراحی برای مدارهای قابل کاشت، سطح اشغالی کوچک و توان مصرفی کم مهمترین اصولی هستند که باید مورد توجه قرار گیرند. اندازه کوچک دستگاه کاشته شده منجر به کاهش آسیب به بافتهای بدن در طول عمل کاشت شده و توان مصرفی کم نیز به حذف باتریها از مدار کمک میکند. علاوه بر این، توان اتلافی کم به معنای تولید اندک حرارت میباشد که برای سلامت بیمار یک امر ضروری است. بهمنظور کاهش توان مصرفی، میتوان از روشهای مداری مختلف و یا الگوهای پردازش سیگنال گوناگون استفاده کرد. در میان این روشها، استفاده از مبدلهای آنالوگ به دیجیتال عبورازسطح که سیگنال ورودی را در حوزه دامنه (ولتاژ یا جریان) بهجای حوزه زمان نمونهبرداری و کوانتیزه میکنند، منجر به کاهش توان مصرفی خصوصاً در کاربردهایی که با سیگنالهای تنک سروکار دارند همانند سیگنالهای عصبی مغز و یا سیگنالهای اینترنت اشیاء میشود. سیگنالهای تنک به دلیل تغییرات سریع در حوزه زمان، المانهایی با فرکانس بسیار بالا را شامل میشوند. بنابراین، استفاده از مبدلهای آنالوگ به دیجیتال معمول که از روشهای نمونهبرداری در حوزه زمان استفاده میکنند، انتخاب خوبی نیست. این ایده بهسادگی با توجه به قانون نرخ نمونهبرداری نایکوئیست و نیاز به استفاده از فرکانس نمونهبرداری حداقل دو برابر بزرگتر از فرکانس سیگنال ورودی بهمنظور بازسازی سیگنال آنالوگ اصلی قابل توجیه است. درواقع، وجود المانهایی با فرکانس بسیار بالا در محیط آنالوگ طراح مدار را به استفاده از یک فرکانس نمونهبرداری بالا وادار میکند که باعث افزایش قابلتوجه توان مصرفی میشود. در معماری مبدل آنالوگ به دیجیتال عبورازسطح، با نمونهبرداری در حوزه دامنه، یک نمونه جدید زمانی تولید میشود که سیگنال ورودی از یک سطح آستانه از پیش تعیینشده عبور کند. لذا در این مبدل های آنالوگ به دیجیتال، استفاده از قانون نرخ نمونهبرداری نایکوئیست ضروری نمیباشد که توان مصرفی مدار را میکاهد. در این پایاننامه، یک مبدل آنالوگ به دیجیتال عبورازسطح کممصرف، بدون پالس ساعت و با پهنایباند بالا ارائه شده است که در آن، مقایسهگرهای ولتاژ پرمصرف و حساس به ولتاژ آفست تنها با یک مقایسهگر جریان جایگزین شدهاند. مدار طراحیشده نیازی به پالس ساعت با فرکانس ثابت ندارد که منجر به کاهش پیچیدگی مدار و نیز کاهش تداخلهای الکترومغناطیسی میشود. در مدار پیشنهادی، یک شمارنده بالا و پایینشمار جدید طراحی شده است که شامل هر دو ساختار شمارندههای سنکرون و آسنکرون میباشد. به دلیل بارگذاری خازنی اندک، شمارنده طراحیشده بهسادگی و بدون نیاز به بافرهای پرمصرف قابل راهاندازی است. همچنین، مبدل آنالوگ به دیجیتال عبورازسطح طراحیشده دارای یک مبدل دیجیتال به آنالوگ است که یک شبکه فیدبک بازگشتی ایجاد میکند. مبدل دیجیتال به آنالوگ استفادهشده شامل هر دو ساختار باینری و المانواحد بوده و در آن هیچ المان غیرفعالی وجود ندارد. در ضمن، مبدل آنالوگ به دیجیتال عبورازسطح طراحیشده میتواند برای سیگنالهای ورودی با پهنایباند متفاوت، دقت محاسباتی گوناگونی را فراهم سازد که آن را به گزینهای مناسب برای محدوده وسیعی از کاربردها تبدیل میکند. مدار در تکنولوژی استاندارد CMOS شبیهسازی شده است. مطابق با نتایج شبیهسازی، مدار برای تبدیل یک سیگنال آنالوگ با فرکانس 10 kHz به مقادیر دیجیتال با دقتی معادل 10.5 bits تنها 580 nW توان از یک منبع تغذیه 0.5V مصرف میکند. کلیدواژهها: نمونهبرداری انطباقی، پردازش سیگنالهای تنک، مبدل آنالوگ به دیجیتال، پردازش حوزه جریان، شمارنده کممصرف