אתגר הכוח ב-High-Speed ADCs

ממירים אנלוגיים מהירים (ADCs) הם עמוד השדרה של מערכות רכישת נתונים מודרניות, המאפשרים את הדיגיטציה של אותות בשיעורים מעל מאות מגה-מפוס לשנייה (Msps) לתוך טווח הג'יגה'רצץ.המכשירים האלה הם קריטיים בתשתיות תקשורת (5G/6G תחנות בסיס), מערכות מכ"ם, לוחמה אלקטרונית, הדמיה רפואית, כלי מדעי, כמו מערכת רוחב פסים מרחיבה, ואפקטים את דרישות תאורה של כוח ליניארית, או צמצום.

טכנולוגיית CMOS סיליקון הובילה ביצועים ADC במשך עשרות שנים, אבל כמו צומת תהליכים מתכווץ ואספקת מתחים בקנה מידה, גבולות פיזיים בסיסיים מופיעים. זרמי Leakage, קיבולים קצבים, והפסדים בין-קשר הופכים דומיננטיים, להפוך את תקציב הכוח לתוך צוואר בקבוק.התעשייה הגיבה על ידי חקר חומרים מתקדמים שיכולים להתגבר על מגבלות אלה.

מאמר זה בוחן את החומרים המתקדמים הספציפיים המעצבים מחדש עיצוב ADC במהירות גבוהה, המפרטים כיצד הם להפחית צריכת חשמל, לשפר את יושרת האות, ומאפשרים מערכות הדור הבא.We יכסה דיאלקטריות בעלות נמוכה, מוליכים למחצה רחבים פסאגפ, וחומרים מתעוררים ננומטריים, יחד עם אתגרים אינטגרציה מעשיים וכיוונים מחקר עתידי.

הנהגים של כוח ב-High-Speed ADCs

לפני בחינה של פתרונות חומריים, חשוב להבין היכן הכוח נצרך באדריכלות מהירה ADC.מרבית ה- ADCs המהירים המודרניים משתמשים ב-ADCs במהירות גבוהה, מוצלח-upximation-register (SAR), או אדריכלות מחוסמת זמן רב.הבלוקים העיקריים של כוח-הונגרי כוללים את מעגל המסלול הקדמי-היד (T/H) קו רוחב, מערך ההשוואה, ההתייחסות, הסולם הדיגיטלי, הלוגיקה, והתיקון הדיגיטלי, והתיקון הדיגיטלי, התיקון הדיגיטלי, התיקון.

ב-ADC, הכוח הנדרש כדי לטעון ולשחרר את קיבולים במהלך כל מחזור המרה ניתן על ידי P = f * C * V2, שבו f הוא תדירות הדגימה, C הוא סך הכל החלף לאחור קיבול, ו V הוא התננדנד המתח. כדי להפחית את כוח, מעצבים יכולים להפחית C, נמוך יותר או להשתמש בחומרים המאפשרים מעבר גבוה יותר.

חומרים דיאלקטריים נמוכים

חומרים דיאלקטריים משמשים ב capacitors של רשת הדגימה של ADC, כמו גם ב dielectrics בין-דרגתיים עבור קישורים. בתהליכים CMOS מסורתיים, סיליקון דו חמצני (SiO2) ו סיליקון (Si3N4) משמש את הדיאלקטריים הסטנדרטיים.עם זאת, האובדן הדאלקטרי שלהם (tan ⁇ ) וניתן יחסית להוביל לדיסוציאטיביות משמעותית בתדרים בתדרים בתדרים בתדרים גבוהים.

דיאלקטרי עם אובדן נמוך

Replacing SiO₂ with high-κ (high dielectric constant) materials such as hafnium dioxide (HfO₂) or zirconium dioxide (ZrO₂) allows designers to achieve the same capacitance density with a physically thicker layer, reducing tunnel leakage currents. More importantly, certain formulations of these materials exhibit extremely low loss tangents (tan δ < 0.01) up to microwave frequencies. This directly reduces the energy dissipated per switching event in the ADC’s sampling capacitor bank.

סוג אחר של דיאלקטריות בעלות נמוכה תשומת לב הוא פולימרים היברידיים אורגניים אורגניים (למשל, benzocyclobutene, BCB) חומרים אלה יש קבועות דיאלקטריות נמוכות מאוד (סימול 2.5-2.7) והפסד נמוך, מה שהופך אותם אידיאלי עבור חיבורים בין ⁇ גבוה ורכיבים פסיביים. כאשר בשימוש ברשת ההתייחסות של ADC או בתת של תת-הת של נפח של כוח רב-כי פחות, המאפשר לצמצום עם כוח רב-העוצמה מלאה ב-C.

לדוגמה, 12 סיביות 10 GSPs ADC המעסיק זרם מתכת מותאם אישית (MIM) capacitor שנבנה עם dielectric רב-סגולה / אובדן נמוך יכול להפחית את הכוח לערוץ על ידי 15-20% בהשוואה לתכנון סטנדרטי SiO2 מבוסס, תוך שמירה על אותה רצפת רעש.

ראשי > ההרחבה הרחבה-Bandgap Semiconductors: GaN & SiC

בעוד CMOS נשאר הטכנולוגיה הדומיננטית של ADC לוגיקה ושליטה, אנלוגי חזית הקדמית ו-buffer amplifier יותר ויותר ממינוף מוליכים למחצה מורכבים. Gallium nitride (GaN) ו- סיליקון carbide (SiC) הם חומרים רחב פסגפ המציעים ניידות אלקטרונים מעולה, מתח התמוטטות גבוה יותר, ו מוליכות תרמית טובה יותר מאשר סיליקון.

GaN for High-Frequency, Low-Power Analog Front Ends

GaN גבוה אלקטרונים-Mobility טרנזיסטור (HEMTs) יכול לפעול בתדרים מעל 100 GHz עם transconductance גבוהה ו- תפוקה נמוכה capacitance. כאשר נעשה שימוש במגבר מעקב והחזקת הקלט של ADC, התקנים GaN לספק מעבר מהיר מאוד עם מטען שער מינימלי, וכתוצאה מכך כוח דינמי נמוך יותר.

יתר על כן, ה-Ggap רחב של GaN (3.4 eV) מאפשר לפעול בטמפרטורות צומת גבוהות יותר ללא דליפות מופרזת, צמצום הצורך בקירור פעיל.זה יש יתרון כוח ברמת המערכת, כי אוהדי קירור ושקולות חום צורכים אנרגיה נוספת ומרחב.

SiC עבור High-Voltage, קיצור של Low-Noise

התקנים SiC מצטיינים ביישומים גבוהים, נמוך הפסד.ב ADC, רשת מתח ההתייחסות חייבת להיות יציבה ורעש חינם. SiC Schotky diodes ו JFETs ניתן להשתמש בהפניות מתח מדויק ורגולטורים המספקים את ADC, מתן תפוקה נמוכה ויציבות תרמית גבוהה.

יתר על כן, לסצי C substrates יש מוליכות תרמית של בערך 4.9 W / ס"מK, בערך שלוש פעמים זה של סיליקון. כאשר בשימוש כמו תת-התחב של ADC מעגלים משולבים (או מונוליטי או היברידי), SiC עוזר להפיץ חום אפילו, ומאפשר ADC לרוץ בקצב גבוה יותר של דגימה ללא ריצות תרמילי.

ננו-חומרים ומוליכים מתעוררים

מעבר למוליכים למחצה, החוקרים חוקרים ננומטרים פחמן וסגסוגת מתכתית כדי להפחית את הכוח בחיבורים ורכיבים פסיביים.

Graphene ו- Carbon Nanotubes

Graphene יש ניידות גבוהה במיוחד המוביל (עד 200,000 ס"מ / V) ויכול לשאת משקעים נוכחיים גבוהים ללא אלקטרומיגרוציה. כאשר נעשה שימוש כחומר חיבור במסלולי האות הקריטיים של ADC, גרפן מפחית הפסדים מנוגדים ו inductance parasitic.זה מאפשר תנודות קטנות עם אותו דיוק מיישב, הורדת כוח דינמי.

ננו-tube פחמן (CNT) חבילות הן חומר מבטיח אחר חיבור.CNTs יש יחסי היבט גבוהים וניתן לגדל אנכי עבור דרך-silicon דרך (TSVs) או אופקי עבור קישורים מקומיים.בקיצור זמן קצר דבק ADC, את הניתוק של מספר שלבים שעון אותות אנלוגיים בין פרוסות יכול להיות מקור משמעותי של אובדן CNT חיבורים ולהפחית את טווחי כוח במהירות.

חומרים ל- Cryogenic ADCs

עבור ADCs ביצועים הגבוהים ביותר בשימוש באסטרונומיה רדיו ומחשוב קוונטי, פועל בטמפרטורות Cryogenic (4–20 K) מאפשר השימוש בחומרים על-מוליכים כגון niobium (Nb) ו niobium nitride (NbN) חומרים אלה יש אפס התנגדות DC ויכול להתמודד עם תדרים גבוהים מאוד. בעוד לא מעשי עבור יישומים כלליים, מוליכים ADCs לצרוך גודל פחות מ × 1C {\displaystyle C} עבור מספר נמוך יותר מ CMC} עבור מספר ANGOp (לדוגמה, אך פחות CMC} תרפיה אחת נמוכה יותר מאשר לוגיקה אחת בלבד.

שילוב חומרי ו- ADC אדריכלות סינרגיות

היתרונות של חומרים מתקדמים ממקסימים כאשר משולבים עם חידושים אדריכליים.לדוגמה, דיאלקטריים נמוכים מאפשרים שימוש בציפוי יחידות קטנות יותר ב SAR ADCs, המאפשרים יותר סיביות לשלב או מהר יותר.רחב-bandgap Semiconductors לאפשר שעון רב-GHz ללא צורך רשתות הפצה מורכבות של שעון לשרוף כוח.

שילוב היברידי ו-3D

טכניקות אריזה מתקדמות כגון גינון היברידי ו מחסנית שבב 3D יכול להביא חומרים שונים יחד. An ADC למות מיוצר בתהליך CMOS ביצועים גבוהה ניתן לערעור אנכי עם שבב חזית GaN או סוכן מתח SiC, המחובר באמצעות מיקרו-bus pitch היטב.זה מפחית את אורך של חיבורים מהירים, חיתוך קפיטלנטיות קצבה חיתוך וספקט ב-iduct זה יכול להיות משולב עם 10D מהירות (pel) כמו D.

שילוב מונוליטי על תת-הנדסה מהנדס

דרך נוספת היא להשתמש substrates ממונדס כמו סיליקון-on-inulator (SOI) עם סיליקון בעל אחריות גבוהה או שכבת טיפול quartz. SOI מפחית הפסדים תת-קרקעית ומאפשר שילוב של רכיבים פסיביים ב-Q גבוה.שלב SOI עם שכבת GaN על אותו שבב (באמצעות צמיחה אפיtaxal או חיבור צנרת) יכול להניב ADC כי היתרונות של ביצועים נמוכים של לוגיה 8Ix פחות מאשר GST של קבוצות CDC של GSTGST.

השפעה קוונטית על ADC Performance Metrics

כדי להעריך את השיפורים המעשיים, זה עוזר לבחון מדדים ספציפיים שנמדדו ב- ADCs שפורסם בכתב העת ADCs המעסיקים חומרים מתקדמים:

  • (FLT:0)Figure of Merit (FoM) שיפור: FLT:1 ה-Vden FoM המקובל עבור ADCs הוא P / (2ENOB × f s) עם דיאלקטריות נמוכות ו- GaN לפני ends, עיצובים שפורסמו השיגו FoMs מתחת 10 J/conversion-Step במהירויות מעל 10 GSPs, בהשוואה ל- 30-J-R.
  • (FLT:0) ניכוי ב-Volage:FLT:1 השימוש של סרג'י הפניה סיי-C ורגולטורים עם קיבולים גבוהים מאפשר ליבת ADC לפעול ב 0.8 V במקום 1.0 V, צמצום כוח דינמי על ידי 36% (מכיוון P ⁇ V2).
  • (FLT:0) Thermal Managementmia:FLT:1 ADCs המוטבע על טמפרטורות צומת 15-20 מעלות צלזיוס נמוך יותר מסיליקון שווה מת תחת אותה צפיפות כוח, המאפשר הפעלה בטמפרטורות גבוהות יותר ללא ביצוע דרמטי.

שיפורים אלה מתרגמים להטבות בעולם האמיתי: עלויות קירור נמוכות של מרכז הנתונים, חיי סוללה ארוכים יותר במערכות מכ"ם ניידות, ואמינות מוגברת באלקטרוניקה אווירוקל.

מחקרים ויישומים

תחנת הבסיס 5G/6G ADCs

ביחידות רדיו מסיביות של MIMO, כל רכיב אנטנה דורש ADC הפעלה של 100-200 גב 'פס עם לפחות 12 סיביות החלטה.הכוח הכולל של מאות ADCs יכול לשלוט בתקציב הרדיו. על ידי אימוץ של buffers של GN מבוסס קלט עם 12 סיביות ו-kelectric capacitors, חברות כמו אנליסטיםog מכשירים ו- Texas Instruments יש ADCs כי לצרוך רק 50 mW ל-V תוך השגת ערוץ 75Bc זה לעומת קיצוץ של חשמל.

רדאר ולוחמה אלקטרונית

מערכות צבאיות דורשות רוחב פס מיידי של מספר ג'יגהארץ. An ADC עם תדר ביניים 10 GHz (IF) קלט ופתרון 8 סיביות עשוי בדרך כלל להשבית 5-10 W. באמצעות טכנולוגיות היברידיות GaN-on-SiC, אבטיפוס האחרון של ADC מחברות כמו רייתאון ו-Northrop Grumman הוכיחו 6 GSPsampling עם כוח תחת 2, בעוד ששומר על 3B.

חקירה מדעית

בפיסיקה חלקיקים ואסטרונומיה רדיו, מגוון של אלפי ADCs משמשים.הכיכר קילמסטר ארי (SKA) טלסקופ, למשל, דורש ADCs כוח נמוך כדי להפחית את העלות של תחנות מרוחקות שלה. Superconducting ADCs פועל ב 4 K dissipate רק מיקרווואט לערוץ, מה שהופך אותו אפשרי לפרוס ספירת ספירות ערוץ מסיביות, למרות שמערכת הצעקה מוסיפה את הכוח הכולל הוא חלופות לטמפרטורה נמוכה יותר מאשר חדר.

אתגרים ומסחר

למרות היתרונות ברורים, שילוב חומרים מתקדמים לתוך במהירות גבוהה ADCs מגיע עם מכשולים.עלות של GaN ו SiC wfers הוא גבוה משמעותית יותר מסיליקון, הגבלת אימוץ בשווקים רגישים מחירים. חומרים שאינם CMOS לעתים קרובות דורשים צעדים עיבוד מיוחדים, הגדלת מורכבות fab וצמצום התשואות. לדוגמה, עלייה באיכות גבוהה GaN על סיליקון על סיליקון עם ירידה נמוכה עדיין אזור מחקר פעיל.

יתר על כן, חומרים מתקדמים יכולים להציג מצבי כישלונ חדשים: GaN HEMTs רגישים להתמוטטות הנוכחית ולמלכודת אפקטים, אשר יכול לדרג את הליניאריות ADC.עברת מכשיר תקין וטיפול על פני השטח נדרשים, הוספת עלויות עיבוד נוספות.ההתרחבות הrmal משתתפת בין חומרים מסיסים עלולה לגרום ללחץ מכני במהלך רכיבה על אופניים, שעלולה להוביל לסדקים במיקרו-bus או למות שכבות.

כלים עיצוביים גם lag: PDKs סטנדרטי (ערכת עיצוב תהליכים) עבור סימולציה של סימולציה מעורבת עשוי לא מודל מדויק של GaN או SiC מכשירים, הדורש אופי נרחב ומיצוי מודלים.זה מאט מחזורי עיצוב.

כיוונים עתידיים למחקר

במבט קדימה, כמה משפחות חומריות מתעוררות מבטיחות אפילו נמוך יותר כוח ADCs. שני חומרים תלת-ממדיים כמו molybdenum disulfide (MoS2) ו זרחן שחור נחקרים עבור טרנזיסטים ערוץ אולטרה-תאימין שיכולים לפעול עם מתחי אספקת תת-0.5 V, חיתוך כוח quadratly.

בתחום של דיאלקטריות, מסובבים מטבוליים משולבים קרמיקה גבוהה עם פולימרים בעלי הפסדים נמוכים מפותחים כדי להשיג הן קבוע דיאלקטרי גבוה והפסד נמוך שיזוף.זה יכול לאפשר ADCs להשתמש בציפוי גדול יותר (לרעש kT / C טוב יותר) ללא כוח גדל יחסית.

לבסוף, ההתקדמות בייצור תוספים וננומטריד ליתוגרפיה עשויה להוריד את העלות של שילוב חומרים אקזוטיים על ידי כך שאפשרה כתיבה ישירה של תבניות דיאלקטריות מתכת מורכבות על סיליקון.

מסקנה

הביקוש הבלתי פוסק לשיעורי נתונים גבוהים יותר ודיוק בתקשורת, בהגנה ומדע מניע שינוי פרדיגמטי בעיצוב ADC. חומרים מתקדמים - דיאלקטריים נמוכים, מוליכים למחצה רחבים, ננו-חומרים פחמן, ומוליכים-על-ידי ה-ADC - הם ממלאים תפקיד מרכזי בהפחתת צריכת החשמל תוך דחיפה מהירה ופתרון גבולות.

(ו) בעוד שאתגרי האינטגרציה והעלות יישארו, המסלול ברור: ארכיטקטים מהירים עתידיים ADCs ייבנו על פלטפורמות חומריות הטרוגניות, המותאמים לייעל ביצועים עבור יישומים ספציפיים.מהנדסים ואדריכלי המערכת צריכים להישאר מעודכן לגבי חידושים חומריים אלה, כפי שהם יפתחו יכולות שהיו בעבר בלתי-רקטיות בשל מגבלות כוח.