Design of a High-Performance Current-mode ADC for Photoplethysmography Applications

Questa tesi presenta un convertitore analogico-digitale (ADC) di tipo current-mode two-step SAR per l’acquisizione di dati fotopletismografici (PPG). L’ADC lavora ad una frequenza di campionamento di 1,778 MS/s con un fondo scala di 12 µA una tensione di alimentazione di 1,8 V; il convertitore offre una risoluzione di 16 bit grazie all’utilizzo di un algoritmo ad approssimazioni successive attuato in due fasi. L’architettura proposta è in grado di raggiungere le prestazioni di banda e di risoluzione desiderate per via di un’elaborazione smart del segnale di residuo ottenuto dopo la prima fase di conversione; inoltre, il processo di conversione analogico-digitale è reso efficiente dal riutilizzo di un DAC di tipo current-steering e di un comparatore di corrente durante entrambe le fasi di approssimazioni successive. Il sistema in questione si propone come un’alternativa a larga banda e ad inferiore consumo di potenza per l’acquisizione di dati PPG visto che elimina il requisito di un buffer d’ingresso e le associate trasformazioni corrente/tensione.

This thesis presents a current-mode, two-step SAR ADC with hardware reuse for PPG data acquisitions. The ADC operates at a sampling rate of 1.778 MS/s with a full-scale of 12 µA and a supply voltage of 1.8 V; it features a resolution of 16 bits, thanks to a two-step SAR algorithm. The proposed architecture achieves the desired bandwidth and resolution by means of smart processing of the residue signal obtained after the first SAR conversion. Moreover, the analog-to-digital conversion process is made efficient by the reuse of a segmented current steering DAC and a current comparator during both steps. The presented ADC offers a large-bandwidth and lower-power alternative for Photoplethysmography (PPG) data acquisition systems, by inherently eliminating the requirement of an input buffer and the correlated current-to-voltage transformations.