Introduction: La convergence des technologies analogiques et numériques

L'électronique moderne exige des performances toujours plus élevées pour convertir des signaux analogiques du monde réel en données numériques pour le traitement, l'analyse et le contrôle. Les circuits intégrés à signaux mixtes (IC) sont passés de simples convertisseurs et comparateurs à des systèmes sur puces hautement intégrés qui combinent convertisseurs analogiques à numériques (ADC) avec des unités de traitement numériques sophistiquées. Cette convergence permet des solutions plus rapides, plus précises et plus efficaces en énergie pour tout, des communications 5G aux diagnostics médicaux.

Évolution de l'intégration des signaux mixtes

Historiquement, les circuits analogiques et numériques étaient fabriqués sur des matrices séparées ou même sur des paquets séparés. L'avant analogique (y compris l'ADC) a été isolé de la logique numérique pour éviter le couplage du bruit et les interférences de l'alimentation. À mesure que les processus semi-conducteurs se sont rétrécis, les concepteurs ont commencé à intégrer les deux types de circuits sur une seule puce, en tirant parti des avantages avancés pour le numérique tout en utilisant des options de processus analogiques.

Percées dans les architectures ADC

L'ADC demeure la pierre angulaire de tout système de signaux mixtes. Ces dernières années, plusieurs architectures ont connu des progrès remarquables, chacune visant des compromis précis entre vitesse, résolution et puissance.

Modulateurs Sigma-Delta

Les innovations telles que les modulateurs de sigma-delta à temps continu (CT-SDM) éliminent la nécessité de s'installer rapidement dans le réseau d'échantillonnage, permettant une bande passante plus élevée et une puissance plus faible. Les boucles de quatrième et cinquième ordres, combinées à des quantificateurs multibits et à des combinaisons d'éléments dynamiques, permettent une excellente linéarité et une plage dynamique excellente. Ces convertisseurs sont maintenant utilisés dans les interfaces d'instrumentation de précision, audio et capteurs où le bruit est critique. Les conceptions récentes ont poussé la bande passante du signal au-delà de 100 MHz avec une résolution de 16 bits, comme le rapporte IEEE journals.

Registre d'approximation successives (SAR)

Les convertisseurs SAR modernes permettent d'obtenir des taux d'échantillonnage supérieurs à 10 GS/s à une résolution de 12 bits tout en maintenant la consommation de puissance de sous-milliwatt dans les processus avancés de FinFET. Les DAC à redistribution de charge avec des réseaux de condensateurs à double bande et les commutations monotoniques réduisent la surface et la puissance. L'introduction d'algorithmes SAR redondants, comme ceux utilisant des comparateurs avec seuils intégrés, accélère la conversion sans sacrifier la précision. Ces DAC sont idéales pour les applications à haute vitesse comme les radars, les communications optiques et les oscilloscopes numériques. Un exemple notable est la série AD4000 de Analog Devices, qui atteint une résolution de 18 bits à 2 MS/s avec une puissance ultra-faible.

pipelines et CAA intercalés dans le temps

Pour les plus hauts taux d'échantillonnage (en dizaines de GS/s), les architectures de pipeline et d'intercalaires temporels dominent. Les CDA de pipeline brisent la conversion en plusieurs étapes, chacune avec un sous-ACD grossier et un convertisseur numérique à analogique (MDAC). Les innovations dans le partage des op-amp, l'étalonnage numérique des fonds et l'amplification des résidus ont amélioré la linéarité et réduit la puissance. L'intercalation du temps combine plusieurs CDA en parallèle, chaque échantillonnage à une fraction du taux global. Le principal défi est l'erreur d'appariement entre les canaux – gain, décalage, décalage – qui dégradent la plage dynamique sans épine (SFDR).

Intégration de traitement numérique sur puce

L'intégration du traitement numérique directement sur la même longueur d'onde que l'ADC élimine le goulot de bande passante des bus de données externes et réduit la latence. Ce couplage étroit permet des opérations sophistiquées en temps réel telles que le filtrage numérique, la décimation, la traduction de fréquences et la péréquation adaptative avant même que les données quittent la puce.

DSP embarqués et microcontrôleurs

De nombreux IC à signaux mixtes modernes comprennent un DSP durci ou un microcontrôleur de faible puissance (MCU), comme ARM Cortex-M, pour gérer les boucles de contrôle et le traitement des données. Par exemple, l'ADuCM3229 de Analog Devices combine un ADC sigma-delta 24 bits avec un noyau ARM Cortex-M3, permettant la fusion de capteurs, la moyenne et l'exécution d'algorithmes sans processeur hôte. Ces dispositifs sont courants dans les nœuds IoT industriels et les instruments alimentés par batterie.

Logique numérique personnalisée pour haut débit

Pour les applications ultra-hautes vitesses (p. ex., 100 systèmes ADC GS/s), le traitement numérique par fil dur est essentiel. Les filtres à réponse par impulsions finie parallèles (FIR), les moteurs rapides Fourier transform (FFT) et les chaînes de décimation sont mis en œuvre comme blocs logiques dédiés.Cette approche permet d'obtenir le débit nécessaire tout en maintenant la consommation d'énergie gérable.Les entreprises comme Xilinx (maintenant AMD) et Intel offrent des plateformes RBSoC qui intègrent des systèmes multi-GS/s ADC avec le tissu FPGA, permettant des systèmes radio et radar définis par logiciel.

Accélérateurs d'IA et d'apprentissage automatique

L'une des tendances les plus intéressantes est d'intégrer des accélérateurs légers d'apprentissage machine (ML) directement sur des IC à signaux mixtes. Ces accélérateurs peuvent mettre en place des réseaux neuronaux pour le filtrage adaptatif, la détection d'anomalies ou la classification des signaux à la limite analogique-numérique. Par exemple, un prototype récent décrit à l'ISSCC a combiné un ADC SAR 12 bits avec un petit réseau neuronal convolutionnel (CNN) pour classer les retours radar en microsecondes, ne consommant que 50 μW. Cette capacité permet de vraiment des capteurs intelligents qui peuvent préprocéder les données localement, réduisant le besoin de connectivité cloud et économisant la bande passante.

Principales innovations qui conduisent à la performance

Au-delà de l'intégration de base de l'ADC et du DSP, plusieurs innovations spécifiques ont grandement amélioré la performance globale des IC à signaux mixtes.

Architectures ADC hybrides

Pour optimiser la vitesse et la résolution simultanément, les concepteurs ont créé des architectures hybrides qui combinent les forces de différents types de CDA. Par exemple, un modulateur sigma-delta peut être utilisé pour des portions de bande passante haute résolution mais inférieure, tandis qu'un CDA SAR parallèle gère des événements à grande vitesse. Ces convertisseurs peuvent fonctionner en mode tandem ou en mode de commutation en fonction des conditions d'entrée.

Étalonnage numérique sur puce

Les techniques d'étalonnage numériques, tant au premier plan (pendant le démarrage) que le second (pendant le démarrage), corrigent les erreurs sans références externes. L'étalonnage de l'arrière-plan est particulièrement utile parce qu'il continue de fonctionner pendant la conversion normale, compensant la dérive. Les techniques telles que l'architecture de la CDA fractionnée, l'injection de dither et l'estimation fondée sur la corrélation permettent de parer aux erreurs de couplage DAC, aux décalages de comparaison et aux erreurs de chronométrage.

Gestion avancée de l'énergie

L'efficacité de la puissance est essentielle pour les appareils portables et IoT. Les IC à signaux mixtes intègrent désormais une échelle de tension dynamique (DVS) et une commande de puissance au niveau du sous-bloc. Par exemple, le noyau ADC peut être biaisé vers un courant inférieur lorsque la bande passante inférieure est acceptable, et les blocs de traitement numérique peuvent être réglés par horloge ou coupés entre les éclats d'activité.

Convertisseurs reconfigurables et définis par logiciel

La prochaine frontière est la reconfiguration : des IC à signaux mixtes qui peuvent modifier leur résolution ADC, leur fréquence d'échantillonnage et leurs caractéristiques de filtre numérique à la volée sous contrôle logiciel. Cette flexibilité permet à une seule puce de jouer plusieurs rôles dans un équipement radio, un hub de capteur ou un équipement de test. Par exemple, un ADC reconfigurable pourrait fonctionner comme un convertisseur 16 bits de faible puissance pour la communication vocale, puis passer à un mode à haute vitesse 12 bits pour la réception des données.

Intégration de l'apprentissage automatique pour le filtrage adaptatif

Au-delà des accélérateurs ML, des algorithmes d'apprentissage automatique sont utilisés pour régler adaptativement le front-end analogique lui-même. Par exemple, un réseau neuronal peut apprendre le profil sonore de l'environnement et ajuster les coefficients de gain, de décalage et de filtre ADC. Ce circuit analogique -auto-adaptatif -améliore le besoin d'étalonnage manuel et améliore la robustesse.

Applications dans les industries

Les innovations décrites ci-dessus permettent des applications transformatrices dans de nombreux secteurs.

Télécommunications

Les stations de base 5G et 6G émergentes nécessitent des CDA avec des débits d'échantillonnage de 10 + GS/s et 12 + bits de résolution pour numériser les signaux radio à large bande. Les CCA à signal mixte avec traitement numérique intégré peuvent effectuer une prédistortion numérique (DPD) pour linéariser les amplificateurs de puissance, réduisant ainsi la consommation d'énergie de 20 à 30 %.

Santé et imagerie médicale

Les CDA à haute résolution sont essentiels pour les machines à ultrasons, à rayons X, à IRM et à ECG portables. Les CCA à signal mixte qui combinent un CDA multicanaux avec un faisceau numérique sur puce ou un filtrage du bruit réduisent le coût et la taille du système. Par exemple, un ASIC ultrasonore 32 canaux intègre une compensation analogique de gain de temps avec filtrage et compression numériques.

Automobile

Les systèmes avancés d'assistance au conducteur (ADAS) reposent sur des capteurs radar, lidar et caméra qui émettent des signaux analogiques à des vitesses élevées.Les IC à signaux mixtes conçus pour la plage de température et la fiabilité de l'automobile intègrent des CDA 12 à 14 bits avec des DSP dédiés à la détection et la classification des objets.Les derniers puces radar de Texas Instruments combinent plusieurs canaux de transmission et de réception avec un noyau DSP qui traite les spectres doppler-distance en temps réel.

IdO et surveillance de l'état des installations industrielles

L'automatisation d'usine exige des capteurs de vibrations, de température et de courant qui fournissent des données en temps réel. Les IC à signal mixte avec des CDA 24 bits et des DSP embarqués peuvent effectuer une analyse de fréquence (FFT) sur les données des capteurs pour détecter l'usure ou le déséquilibre des roulements avant la défaillance. L'intégration de la détection d'anomalies ML réduit encore les fausses alarmes et permet une maintenance prédictive.

Électronique de consommation

Les codes audio modernes combinent des ADC multi bits sigma-delta avec des traitements audio numériques (annulation de bruit, péréquation) dans des paquets plus petits qu'un ongle. Dans les capteurs d'image, les ADC parallélistes en colonne (souvent SAR ou cyclique) avec une logique numérique en pixel lisent la vidéo haute résolution à 60 fps tout en consommant moins de 100 mW. L'intégration de la détection d'activité vocale toujours sur une ADC de faible puissance et d'un réseau neuronal simple permet l'activation de mots de réveil sans puce DSP dédiée.

Défis et orientations futures

Malgré des progrès impressionnants, plusieurs défis demeurent qui façonneront la recherche au cours de la prochaine décennie.

Miniaturisation extrême

Les géométries des processus se rétrécissent à 7 nm et au-delà, les circuits analogiques souffrent d'un écart accru, de fuites et d'un gain intrinsèque plus faible. Les concepteurs de signaux mixtes doivent co-optimiser les blocs numériques et analogiques, en déplaçant souvent plus de fonctionnalités dans le domaine numérique (p. ex., en utilisant l'étalonnage numérique pour corriger les erreurs analogiques).

Densité d'intégration supérieure

L'intégration tridimensionnelle et le empilage hétérogène offrent un chemin pour combiner plusieurs matrices – chacune optimisée pour sa fonction (par exemple RF, ADC, numérique) – dans un seul paquet avec des interconnections pointures fines. Les vias de silicon (TSV) et micro-bumps permettent une bande passante élevée et une faible latence entre les couches analogique et numérique.

Efficacité énergétique à l'avant-garde

De nombreuses applications utilitaires et portables nécessitent des budgets de récupération d'énergie de 10 μW ou moins. Les convertisseurs analogiques à information qui compressent directement les données avant la numérisation (p. ex., les CDA de détection de compression) peuvent réaliser des économies d'énergie par ordre de grandeur. Des circuits numériques à quasi seuil combinés à des CDA de puissance ultra-faible (sous--1 μW) sont en cours de développement pour une surveillance continue.

Sécurité dans les systèmes à signaux mixtes

Les circuits analogiques et numériques intégrés créent de nouvelles surfaces d'attaque, comme les fuites latérales de l'alimentation ou le rayonnement électromagnétique. Les futurs IC à signaux mixtes peuvent intégrer des fonctions physiques non-clonables (FUP) en utilisant des variations aléatoires de processus dans les circuits analogiques pour l'authentification.

Applications cryogéniques et quantiques

Les systèmes de calcul quantique et d'instrumentation en espace profond nécessitent des CDA fonctionnant à des températures cryogéniques (peu de kelvins). Les Cryo-CMOS et les modèles de signaux mixtes, tels que ceux utilisés pour la lecture des états qubit, ont été démontrés avec une résolution modérée (10-12 bits) mais à une puissance extrêmement faible.

Conclusion

La combinaison de convertisseurs analogiques à numériques et de traitement numérique sur puce a atteint un nouveau niveau de sophistication. Les architectures hybrides, l'étalonnage avancé, la gestion de la puissance, la reconfiguration et l'intégration de l'apprentissage machine conduisent à des performances qui sont au-delà des limites du possible physique.Ces innovations sont déjà déployées dans des applications critiques dans les télécommunications, les soins de santé, l'automobile, l'industrie et l'électronique grand public.