سامانه ‏های غیرخطی در مهندسی برق

سامانه ‏های غیرخطی در مهندسی برق

بهینه سازی مدولاتور سیگما – دلتا برای کاربردهای مهندسی پزشکی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانش آموخته کارشناسی ارشد برق الکترونیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، تبریز، ایران
2 عضو هیئت علمی دانشگاه شهید مدنی آذربایجان / دانشکده فنی و مهندسی / گروه مهندسی برق
3 3- دانشیار گروه مهندسی برق، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، تبریز، ایران
چکیده
در این مقاله طراحی، شبیه‌سازی و بهینه‌سازی مدولاتور سیگما-دلتای مرتبه دوم زمان گسسته برای کاربردهای ثبت سیگنال‌های زیستی ارائه شده است. مدولاتور در محیط نرم افزار Cadence با تکنولوژی CMOS nm۱۸۰ پیاده‌سازی شده و با پهنای باند ۵۰۰ هرتز، برای کاربردهای ثبت سیگنال‌های عصبی در نظر گرفته شده است. نسبت فرانمونه‌برداری (OSR) برابر ۲۵۶ و فرکانس نمونه‌برداری ۲۵۶ کیلوهرتز در نظر گرفته شده و مدولاتور حداکثر نسبت سیگنال به نویز و اعوجاج (SNDR) معادل 76/3 دسی‌بل را ارائه می‌دهد که معادل 12/4 بیت مؤثر (ENOB) است. تقویت‌کننده عملیاتی ترارسانایی دوطبقه با جبران‌سازی خازن بار، دارای محدوده ولتاژ خروجی وسیع بوده و تنها 26/5 میکرو وات توان مصرف می‌کند. توان مصرفی کل مدولاتور شامل تقویت‌کننده و مقایسه‌گر دینامیک یک‌بیتی، 10/7 میکرو وات است که در نتیجه ضریب شایستگی (FOM) برابر 1/98 پیکوژول بر سطح تبدیل به دست می‌آید. این نتایج نشان‌دهنده کارآیی رقابتی طرح پیشنهادی نسبت به طرح‌های مشابه بوده و مدولاتور پیشنهادی را برای کاربرد در ادوات پزشکی قابل‌کاشت و قابل‌حمل مناسب می‌سازد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

1.      H. Inose, Y. Yasuda, and J. Murakami, "A Telemetering System by Code Modulation: Δ-Σ Modulation," IRE Trans. Space Electron. Telemetry, vol. SET-8, pp. 204-209, Sep. 1962.
2.      L. S. Y. Wong et al., "A Very Low-Power CMOS Mixed-Signal IC for Implantable Pacemaker Applications," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 39, no. 12, pp. 2446-2456, Dec. 2004.
3.      Y. Chae and G. Han, "Low Voltage, Low Power, Inverter-Based Switched-Capacitor Delta-Sigma Modulator," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 44, no. 2, pp. 458-472, Feb. 2009.
4.      J. Goes et al., "Low-Power Low-Voltage CMOS A/D Sigma-Delta Modulator for Bio-Potential Signals Driven by a Single-Phase Scheme," IEEE Trans. Circuits Syst. I, vol. 52, no. 12, pp. 2595-2604, Dec. 2005.
5.      S. A. Zanjani, A. Jannesari, and P. Torkzadeh, "9.9 µW, 140 dB DR, and 93.27 dB SNDR, Double Sampling ΔΣ Modulator Using High Swing Inverter-Based Amplifier for Digital Hearing Aids," Electronics, vol. 12, no. 7, p. 1747, 2023.
6.      R. Schreier, "Delta-Sigma Toolbox for MATLAB," 2000. [Online]. Available: http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/19-delta-sigma-toolbox
7.      L. Yao, M. Steyaert, and W. Sansen, "A 1-V 140-μW 88-dB Audio Sigma-Delta Modulator in 90-nm CMOS," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 39, no. 11, pp. 1809-1818, Nov. 2004.
8.      J. Roh, S. Byun, Y. Choi, H. Roh, Y. G. Kim, and J. K. Kwon, "A 0.9-V 60-μW 1-bit Fourth-Order Delta-Sigma Modulator With 83-dB Dynamic Range," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 43, no. 2, pp. 361-370, Feb. 2008.
9.      T. B. Cho and P. R. Gray, "A 10 b, 20 Msample/s, 35 mW Pipeline A/D Converter," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. SC-30, pp. 166-172, Mar. 1995.
10.   H. Roh, H. Lee, and Y. Choi, "A 0.8-V 816-nW Delta-Sigma Modulator for Low-Power Biomedical Applications," Analog Integr. Circuits Signal Process., vol. 63, no. 1, pp. 101-106, 2010.
11.   J. Goes, B. Vaz, R. Monteiro, and N. Paulino, "A 0.9 V ΔΣ modulator with 80 dB SNDR and 83 dB DR using a single-phase technique," in Proc. IEEE Int. Solid-State Circuits Conf. (ISSCC), Feb. 2006, pp. 74-75.
12.   C.-H. Kuo, D.-Y. Shi, and K.-S. Chanag, "A Low-Voltage Fourth-Order Cascade Delta-Sigma Modulator in 0.18-μm CMOS," IEEE Trans. Circuits Syst. I, vol. 57, no. 9, Sep. 2010.
13.   P.-H. Su and H. Chiueh, "The Design of Low-Power CIFF Structure Second-Order Sigma-Delta Modulator," in Proc. 52nd IEEE Int. Midwest Symp. Circuits Syst. (MWSCAS), Aug. 2009, pp. 377-380.
14.   C.-H. Hsu and K.-T. Tang, "A 1V low power second-order delta-sigma modulator for biomedical signal application," in Proc. 35th Annu. Int. Conf. IEEE Eng. Med. Biol. Soc. (EMBC), Jul. 2013, pp. 1520-1523.
15.   M. R. Farsi and K. Monfaredi, "Design and Simulation of High Precision Second-Order Sigma-Delta Modulator for Bluetooth Applications," J. Eng. Sci. Technol., vol. 13, no. 10, pp. 3073-3088, Oct. 2018.
16.   M. R. Farsi and K. Monfaredi, "Design of a High-Precision Second-Order Sigma-Delta Modulator with Low Power Consumption for Medical Applications," Journal of Modeling in Engineering (JME), vol. 16, no. 55, pp. 191-197, 2018. DOI: 10.22075/jme.2018.12865.1263.

  • تاریخ دریافت 12 بهمن 1404
  • تاریخ بازنگری 26 مرداد 1405
  • تاریخ پذیرش 06 شهریور 1405
  • تاریخ اولین انتشار 01 مهر 1405
  • تاریخ انتشار 01 مهر 1405