1.1 研究背景
隨著全球性的人口高齡化與少子化趨勢，未來老人的家庭將逐漸增 多，並且隨著年紀的增長，所以許多病痛也隨之變多，對於照顧的問題就 變得相當重要，如果能配合遠端醫療與照護系統，醫師就能馬上提供適當 的醫療模式。這樣的一個方式可以降低高成本的醫療人力與資源，且其所 獲得長期性的觀察資料，更能較早察覺健康的異常。然而生理訊號乃是以 類比的型態存在，為了使資料能以數位型態的方式記錄和傳播，因此類比 數位轉換器便成為不可或缺的橋樑。
1.2 研究動機與目的
由於未來居家老人將逐漸增多，在居家環境中使用無線感測網路監測 系統，患者可以自行做生理訊號測試(如表 1-1 所示之肌電圖、胃電圖、心 電圖、腦波圖等)，這樣就能大量節省往返醫院問診的時間及昂貴的醫療費 用，藉由日常生活居家環境中的健康檢測，更能提早察覺身體上的疾病徵 兆，並且可以紀錄一些無法在短暫臨床問診的時間內，所可以察覺的病例 與生理機能退化徵兆，提供醫師建立病患長期及連續性病理監測資料庫。
可攜帶式感測器電路主要電源為電池，因此電量十分有限，要能在無 線網路的架構之下達到長時間的使用，感測器需具備低耗電、便宜、小尺 寸、高傳輸率、攜帶方便等功能。在我們國科會總計畫的目標即是針對無 線感測網路，發展與製作出一應用於人體生理訊號量測之無線微感測模組。
圖1-1 為應用於人體生理訊號量測之無線微感測模組系統之架構，其中
訊號監控之無線感測網路之需求，分成了創新之MEMS 感測元件、前瞻的 前端類比電路、後段信號處理、電力電子、智慧型電力供應源與微處理器 等六項技術，才能構成一個完整且具有廣泛使用性之微感測模組。針對感 測器而言，依據其不同之感測特點，設計其所需之訊號放大電路（Signal Conditioning Circuit），而其主要是將感測器所量得的訊號轉化為電訊號並放 大至ADC 的輸入範圍。其次再經由一個十位元以上之低耗能的類比數位轉 換器（Low Power ADC）轉換成數位訊號送到微處理做資料之處理，最後 處理完成的資料由射頻技術(RF Technology)所設計之無線訊號傳輸接收電 路與天線（RF Circuit 與 Antenna），將感測所得之結果傳送出去。而為了 要能達成攜帶式的感測系統，這個模組中更具有一微機電技術所設計與製 作之微型能量產生器（Micro Power Generator）和一附屬的電源供應（Aux Power Supply）部分，再配合上電源管理電路（Power Manage Circuit）提供 上述各項電路電源，達到更長使用時間，使得應用於人體生理訊號量測之 無線微感測模組具有長時性與無線化。
類比數位轉換器對總計畫應用於無線感測網路之超低耗能無線微感測 模組而言，是一個十分重要的電路。在生醫訊號監控應用中，系統的使用 時間與訊號的解析度極為重要，而要監控的訊號為心電圖和腦波圖時，類 比數位轉換器的準確度最少要大於十位元以上。由於元件不匹配及比較器 的徧移量(Offset error)等問題，再加上感測所得之類比信號相當小，易受環 境雜訊甚至於信號藕合的干擾，使得此類比數位轉換電路成為是系統最為 脆弱困難完成的部份之一。本論文主要在設計一個十二位元超低耗能的類 比數位轉換器，依據總計畫的需求，我們需要一個如下表1-2所示規格的類 比數位轉換器[1]。
圖1- 1 應用於人體生理訊號量測之無線微感測模組系統架構[1]
表1- 1 生醫應用[40]
Parameter Voltage
range
Frequency range (Hz) Electrocardiography (ECG) 0.5~4mV 0.01-250 Electroencephalogram (EEG) 1-100μV DC - 150
Electromyography (EMG) - DC – 10000 Electrooculography (EOG) 5 ~200μV DC - 50 Electroretinography (ERG) 0 ~600μV DC – 50 Nerve potentials 0.01 ~ 3mV DC - 10000
表1- 2 ADC 規格及設計目標
Specification Design Targets
Supply voltage <1 V 0.55V 0.9V Conversion rate(Hz) 100 < & < 25K 1K 15K
Input signal swing Rail-to-rail
Resolution (bit) ≧10 10 12
Power dissipation < 15μW
LSB < 0.98mV 0.54mV 0.22mV
1.3 論文章節組織及研究方法
本論文共分為六章，第一章闡述本論文研究背景、動機、目的以及研 究方法；第二章對四種中高解析度的類比數位轉換器的架構做簡單介紹與 分析；第三章分析十二位元低功率連續近似式類比數位轉換器的設計及架 構；第四章為設計的模擬及驗證；第五章為晶片量測結果；第六章為結論 及未來展望。
本論文所設計的類比數位轉換器是利用0.18μm CMOS 1P6M 製程來完 成晶片的實現。在所需類比數位轉換器中，著重在低功率和高解析度的實 現，為達到低功率和高解析度的設計，首先從架構層面來看，由分析各種 類比數位轉換器架構的耗能表現，再藉此挑選出最合適的架構；再從電路 層面來看，由於降低供應電壓通常是最快速降低整體耗能的方法，故降低 供應電壓來達到我們低耗能的需求；最後從電晶體層面來看，由於數位電 路的功率消耗與其負載電容成正比關係，故盡可能的降低數位電路的電晶 體大小以減少負載電容，來降低功率消耗。