《CMOS模拟系统设计》课程教学课件（讲稿）第01章 概述（西安交通大学：张鸿）

西安交通大学研究生课程XIAN JIAOTONGUNIVERSITYCMOS模拟系统设计第1章课程概述微电子学院张鸿hongzhang@xjtu.edu.cn

CMOS模拟系统设计 第1章 课程概述 微电子学院 张 鸿 hongzhang@xjtu.edu.cn 研究生课程

内容概要课程简要信息数模混合系统简述课程主要内容教材与参考资料西安交通大学Lec.#1.概述2/35XIXNHAOTONGUNIVERSITLab of Mixed-SignalSystems

Lab of Mixed-Signal Systems Lec. #1. 概述 2 /35 内容概要  课程简要信息  数模混合系统简述  课程主要内容  教材与参考资料

课程简要信息课程涉及领域：■基于CMOS工艺的模拟集成电路和系统设计先修课程半导体物理、半导体器件物理、电路、信号与系统、模拟集成电路设计基础、自控等上课时间■9周～18周：周四节9/10节、周五1/2节上课地点创新港5-5043（上课形式多媒体+板书西安文通大学3/35Lec.#1.概述XIXNHAOTONGUNIVERSITLabofMixed-SignalSystems

Lab of Mixed-Signal Systems Lec. #1. 概述 3 /35 课程简要信息  课程涉及领域：  基于CMOS工艺的模拟集成电路和系统设计  先修课程  半导体物理、半导体器件物理、电路、信号与系统、 模拟集成电路设计基础、自控等  上课时间  9周~18周：周四节9/10节、周五1/2节  上课地点  创新港5-5043  上课形式  多媒体+板书

课程资料访问地址思源学习空间/“CMOS模拟系统设计”本科“半导体模拟集成电路”课程资源下载地址：https://pan.baidu.com/s/1GfUZf6hcOYTeMqSl_vExcg提取码：elw5考核形式■期末考试：50%（时间待定）项目设计：50%答疑地点创新港4-4027西安文通大学Lec.#1.概述4/35XIXNHAOTONGUNIVERSITLabofMixed-SignalSystems

Lab of Mixed-Signal Systems Lec. #1. 概述 4 /35  课程资料访问地址  思源学习空间/“CMOS模拟系统设计”  本科“半导体模拟集成电路”课程资源下载地址： https://pan.baidu.com/s/1GfUZf6hc0YTeMqSl_vExcg 提取码：elw5  考核形式  期末考试：50%（时间待定）  项目设计：50%  答疑地点  创新港4-4027

内容概要课程简要信息数模混合系统简述课程内容及时间安排教材与参考资料西安交通大学5/35Lec.#1.概述XIXNHAOTONGUNIVERSITYLabof Mixed-SignalSystems

Lab of Mixed-Signal Systems Lec. #1. 概述 5 /35 内容概要  课程简要信息  数模混合系统简述  课程内容及时间安排  教材与参考资料

模拟电路在电子系统中的重要作用Every thing in IC is analog indeed! ---- Michael Steyaert现实世界的所有信号都是模拟的，需要接口电路将其数字化■很多情况下，模拟路径是关键路径AnalogOutputAnalogInputAnalogWorldAnalog/DigitalDigitalDigital/AnalogInterfaceProcessorInterface100100110101100010010主要应用场景自然界信号的采集和处理（AFE+DSP）通信系统：有线、无线、光通信、驱动系统：功放、电机、显示、.独立的模拟系统：电源、时钟发生器、ADC、DAC..西安文通大学6/35Lec.#1.概述XIXNHAOTONGUNIVERSITLabofMixed-SignalSystems

Lab of Mixed-Signal Systems Lec. #1. 概述 6 /35 模拟电路在电子系统中的重要作用  Every thing in IC is analog indeed! ‐‐‐‐ Michael Steyaert.   现实世界的所有信号都是模拟的，需要接口电路将其数字化  很多情况下，模拟路径是关键路径  主要应用场景  自然界信号的采集和处理（AFE+DSP）  通信系统：有线、无线、光通信、.  驱动系统：功放、电机、显示、.  独立的模拟系统：电源、时钟发生器、ADC、DAC

AFE应用（1）一生物医疗电子设备健康领域IC设计已经是当前的热点一习总书记提出的“四个面向”之“面向人民生命健康”生理信号的采集和处理IC是医电设备的关键■ExG：ECG（心电监护设备、起搏器）、EEG（脑起搏、类脑计算、...）、EMG（肌电）、■低频（<1KHz），时间常数大：信号微弱（几uV~几mV），易受噪声和干扰影响植入式装置对低功耗要求严（体内工作十年）医学影像信号的获取和处理：CT、超声..借助超声或光电传感器获取信号AFE+DSP进行后续处理西安交通大学7/35Lec.#1.概述XIXNHAOTONGUNIVERSITLab of Mixed-Signal Systems

Lab of Mixed-Signal Systems Lec. #1. 概述 7 /35 AFE应用（1）—生物医疗电子设备  健康领域IC设计已经是当前的热点—习总书记提出的“四 个面向”之“面向人民生命健康”  生理信号的采集和处理IC是医电设备的关键  ExG：ECG（心电监护设备、起搏器）、EEG（脑起搏、 类脑计算、.）、EMG（肌电）、.  低频（<1KHz），时间常数大；  信号微弱（几uV~几mV），易受噪声和干扰影响  植入式装置对低功耗要求严苛（体内工作十年）  医学影像信号的获取和处理：CT、超声.  借助超声或光电传感器获取信号  AFE+DSP进行后续处理

AFE应用（1）一生物医疗电子设备例：心脏起搏器带隙等其他辅土ASIC-感知模块助电路电池P心电采样模块数字接MCU口电路电ADC极T阻抗测试模块A+OIA-O寄存器刺激起搏模程控电系统控制无线通块路逻辑信电路西安文通大学8/35Lec.#1.概述XIXNHAOTONGUNIVERSITLabofMixed-SignalSystems

Lab of Mixed-Signal Systems Lec. #1. 概述 8 /35 AFE应用（1）—生物医疗电子设备  例：心脏起搏器

AFE应用（1）一生物医疗电子设备例：癫痫治疗仪（神经调节器）-DesiredsignalNoise1mV+CMLNAinterferenceADCElectrodeDC offset200mVStimulatorrStimulateClassifica不artifact100mVtion-Coupling2西安文通大学9 /35Lec.#1.概述XIXNHAOTONGUNIVERSITLabofMixed-SignalSystems

Lab of Mixed-Signal Systems Lec. #1. 概述 9 /35 AFE应用（1）—生物医疗电子设备  例：癫痫治疗仪（神经调节器） 1mV 1V Classifica tion LNA ADC 200mV Desired signal CM interference Stimulate artifact Electrode DC offset Stimulator Coupling 100mV Noise

AFE应用（1）一生物医疗电子设备例：治疗仪（神经调节器）--两级分类的癫痫治疗仪芯片组[Y. Wang, ISSCC 2020]GaincontrolFrontend ICState controlState controland logicCh8CheChTBRDFeedbackorfaststimulationSCh1EEG Sensing Circuit8x×8x2Gainartifactrejection (FSAR)adjustment&Over-volt.CS-CCIAOAccumulatorprotectionVe8XVP-mLMPLDNMOS+Coarse-level1R:0MUXclassifier16algorithm16switchesFeedbackboost9CMLSB-repeat216cancellation写SARMUXVe1EnableDSPICPowerDSP state64kRAMLDOsManagementmachineCurrent12VSBitcurrent1.5V1.5VChip supplyDAC(12mA/2.5mA)reference1.5VpA-levelALDPMOSADC ret.Underdeterminedsubthresholdswitches0.75VLS-SVM<pICAVCMreferenceElectrode impedance1.2Vdetectionor1.8VDSPsupplyMODWT-KDEstimulation overLDNMOSDWTBulk DC-DCfeature extractioncurrent protectionswitches12V3.7y Charge pumpData pre-VIN400ReconstructionprocessTo.LDNMOSWgateDigital postFine-levelStimulatorProcessorclassifierSEEGProfilesImplantableElectrodesrechargeableElectrode impedance&CoAPlithium-ion batteryEEG Data monitoringwirelessHost(50mAh)6.78dataTX2.4G ISMMHZ&RXControlleWi-poMRPeriod, current andother settings for西安文通大学BluetoothSmartWirelessChargingLec.#1XIXNHAOTONGUNIVERSITYLabofMixed-SignalSystems

Lab of Mixed-Signal Systems Lec. #1. 概述 10 /35 AFE应用（ 1 ） —生物医疗电子设备  例：治疗仪（神经调节器）-两级分类的癫痫治疗仪芯片组 [Y. Wang, ISSCC 2020] VP-mLMP algorithm Coarse-level classifier Gain adjustment& Accumulator State control and logic Underdetermined ICA Digital post￾Processor CoAP wireless data TX &RX MODWT-KDE feature extraction LS-SVM LSB-repeat SAR 16-Bit ADC MUX Zin boos t VLT￾GOC DSL FS CM rejectio n CCIA . SDepolarization LDNMOS switches OVP VIN VIN Zin boos t VLT￾GOC DSL FS CM rejectio n . SDepolarization LDNMOS switches OVP VIN 8-Bit DAC CCIA VLT￾GOC DSL CS-CCIA . SPre-charge LDNMOS switches Over-volt. protection VIN 8-Bit DAC Ch1 Ch8 pA-level subthreshold reference Chip supply 1.5V ADC ref. 1.5V VCM 0.75V 12V DSP supply 1.2V LDOs Power Management SEEG Electrodes 2 8 16 Ch1 Ch8 16 8×8×2 Fine-level classifier MUX 3.7V 1.8V To LDNMOS 噼s gate Bluetooth Smart Wireless Charging Profiles 2.4G ISM Host SEEG Electrodes Controlle r 6.78 MHz Implantable rechargeable lithium-ion battery (50mAh) VCM Feedback for fast stimulation artifact rejection (FSAR) Period, current and other settings for stimulation Electrode impedance & EEG Data monitoring EEG Sensing Circuit Feedback CM cancellation LDPMOS switches LDNMOS switches VIN Electrode impedance detection or stimulation over current protection Stimulator 40Ω Buf Current reference 8Bit current DAC(12mA/2.5mA) 12V 1.5V ꞏꞏꞏ Gain control State control ꞏꞏꞏ Enable 16× 8 Bulk DC-DC Wi-po MR Reconstruction 64k RAM DSP state machine x Data pre￾process DWT R Zin boost Charge pump