הקדמה: ההרחבה של Analog ו- Digital

הביקוש לאלקטרוניקה המודרנית ביצועים גבוהים יותר בהמירת אותות אנלוגיים בעולם האמיתי לנתונים דיגיטליים לעיבוד, ניתוח ובקרה. מעגלים משולבים-חתומיים (ICs) התפתחו ממררים פשוטים ומשותפים לנתונים משולבים מאוד במערכות על-ידי IoT המשלבים בין מתמרים אנלוגיים לדיגיטליים (ADCs) עם יחידות עיבוד דיגיטליות מתוחכמות יותר, מהירות ומדויקות יותר, עבור פתרונות תקשורתיים וחסכוניים של IG, אשר יכולים להשיג את האינטגרציה חיוניים (D) עם יחידות עיבוד דיגיטליות, אשר יכולות לשילוב של טכנולוגיות אבחון אלקטרוניות, וטכנולוגיות דיגיטליות מורכבות של טכנולוגיות אבטחה, אשר יכולות לשילוב של חומרים משולבים וטכנולוגיות אבטחה, אשר יכולות לשילוב של IG, אשר יכולות לשילוב של חומרים).

התפתחות של שילוב מעורב-מינלי

היסטורית, מעגלים אנלוגיים ודיגיטליים הוטבעו על סמך מהדורות נפרדות או אפילו חבילות נפרדות.החזית האנלוגית (כולל ADC) הייתה מבודדת מלוגיקה דיגיטלית כדי להימנע מהפיכה רעש והתערבות אספקת חשמל.כתהליכים סמי-מוליכים למחצה שדרגו, מעצבים החלו לשלב את שני סוגי המעגלים על שבב בודד, אפילו מינוף של הטבות חד-זמניות מתקדמות לאפשרויות דיגיטליות.

פריצת דרך ב-ADC Architectures

ADC נשאר אבן הפינה של כל מערכת בעלת חתימה מעורבת.שנים האחרונות ראו התקדמות יוצאת דופן במספר ארכיטקטורות, כל אחת מהן מתמקדת בפלי מסחר ספציפיים בין מהירות, פתרון וכוח.

Sigma-Delta Modulators

(Sigma-delta ADCs הרחיבו את הדומיננטיות שלהם ביישומים ברזולוציה גבוהה (16–32 ביטים) על ידי שימוש oversampling ו- IEEE. innovations כגון sigma-delta Modulators (CT-SDM) לחסל את הצורך בקביעת יתר ברשת sampling, המאפשר רוחב פס גבוה יותר ותחתוני חמישי, עם פורמטים דינמיים, עכשיו, עם ממשק מהיר יותר, 000.

נספח (SAR) ADCs

SAR ADCs עברו סיור הודות ללוגיקה סינכרונית, capacitive DAC מדרגing וטכניקות ריצוף מודרני SAR להשיג שיעורי דגימה מעל 10 GS /s ברזולוציה 12 סיביות תוך שמירה על מהירויות של המרה-מילימטרית בתהליכים מתקדמים של פינקל.

פייפר ו-Time-Interleaved ADCs

עבור שיעורי הדגימה הגבוהים ביותר (עשרות GS /s), צינורות וארכיטקטורה מדבק זמן לשלוט.Pipeline ADCs לשבור את ההמרה לתוך שלבים מרובים, כל אחד עם תת-ADC coarse וכפלה של 40-to-anloger (MDB-Facts) ב-Universalge-mp-Factating את הגרסאות של דינמית (DLC) באופן כללי, כולל התפלגות רקע דיגיטלי).

אינטגרציה לעיבוד דיגיטלי

הגדלת עיבוד דיגיטלי ישירות על אותו למות כמו ADC מבטל את צוואר בקבוק רוחב הפס של אוטובוסים נתונים חיצוניים ומפחיתה את השקיפות. הפיכה קרובה זו מאפשרת פעולות מתוחכמות בזמן אמת כגון סינון דיגיטלי, ניכוי, תרגום תדירות, והתאמה הסתגלות לפני הנתונים אפילו משאיר את השבב.

Embedd DSPs ו- Microcontrollers

רבים מודרניים בעלי חתימה מעורבת כוללים DSP קשיח או מיקרובקר בעל כוח נמוך (MCU) הליבה, כגון ARM Cortex-M, כדי להתמודד עם לולאות בקרה ועיבוד נתונים.לדוגמה, ADuCM3229 ממכשירים Analog משלבים גם sigma-del ADC עם ARM-M3 הליבה, המאפשר חיישן, aCM3229 ממכשירי סימולציה, ללא אלגוריתם יעיל יותר, 000, יכול גם למנוע אלגוריתם יעיל יותר.

לוגיקה דיגיטלית אישית עבור High-Throughput

עבור יישומים מהירים אולטרה-גבוה (למשל, 100 GS / מערכות ADC), עיבוד דיגיטלי קשיח הוא חיוני. מקבילים תגובה אימפולס סופי (FIR) מסננים, מהיר ארבעהייה (FFT) מנועי, ורשתות decimation הטמיעו כבלוקים לוגיים ייעודיים (GDC) כולל שבבים אלקטרוניים ו- AFPSTMSTMS) כולל שבבים אלקטרוניים ו-ACMCDC (D) המאפשרים ל-HD) לשילוב של רכיבי מעבדים של , כלומר, מעבדים של מערכת הפעלה של ®D2CDC-HDCDC ו-HDCDC-HDCDC ו-HDCDC (D.

AI ו- Machine Learning Accelerators

אחת המגמות המרגשות ביותר היא הטמעת למידת מכונה קלה (ML) מאיצים ישירות על ICs של ICs. מאיצים אלה יכולים ליישם רשתות עצביות עבור סינון מותאם, זיהוי אנומלי, או סיווג אותות בגבול האנלוגי-לדיגיטלי.לדוגמה, אבטיפוס עדכני המתואר ב- ISSCC שילב 12 סיביות ADC עם רשת מחשוב זעירה (DIS) שיכולה באמת להפחית את רוחב הפסים של אורגניזמים ברמה גבוהה של 50 שניות בלבד.

ביצועים של Key Innovations

מעבר לאינטגרציה ADC ו-DSP בסיסית, כמה חידושים ספציפיים שיפרו באופן משמעותי את הביצועים הכוללים של ICs של חתימה מעורבת.

אדריכלות ADC

כדי לייעל את המהירות והרזולוציה בו-זמנית, מעצבים יצרו אדריכלות היברידית המשלבת את נקודות החוזק של סוגים שונים של ADC.לדוגמה, מנטרול מסוג sigma-delta ניתן להשתמש בו עבור חלקים רוחב פס גבוה אך נמוך יותר, בעוד SAR מקבילים ADC מטפל באירועים מהירים.

המונחים:Chip Digital Calibration

וריאציות ייצור (מעבד, מתח, טמפרטורה) והזדקנות דה לינאריות ADC. טכניקות ⁇ דיגיטלית, הן קדמת (לאחר ההפעלה) ורקע (זמן קצר), שגיאות נכונות ללא אזכורים חיצוניים. כיקלוריות רקע הוא בעל ערך במיוחד משום שהוא ממשיך לפעול במהלך המרה רגילה, שילוב של שגיאות לינאריות כגון ארכיטקטורת פיצול-ADC, דיפרציה, קורלציה, קורלציה, ודימום מבוסס על ידי תזמון יכול אפילו לנבאת שגיאות של שגיאות של תזמון שלם וחיזוי.

ניהול חשמל מתקדם

יעילות כוח היא קריטית למכשירים ניידים ו-IoT. ICs מעורב עכשיו לשלב קשקשים מתח דינמי (DVS) ועוצמה הגדלה ברמת ה- sub-block. לדוגמה, הליבה של ADC ניתן להטיה לזרם נמוך יותר כאשר רוחב פס נמוך יותר מקובל, ואבני עיבוד דיגיטליות ניתן לחקור שעון או לסגור בין התפרצויות של פעילות.

Reconfigurable ו- Software-Defined Converters

(הגבול הבא הוא Reconfigurability: ICs-signal אשר יכול לשנות את ההחלטה ADC, sampling Rate, ומאפיינים דיגיטליים סינון על זבוב תחת שליטה בתוכנה.גמישות זו מאפשרת שבב יחיד לשרת תפקידים מרובים ברדיו, מרכז חיישן, או ציוד בדיקה.לדוגמה, ADC יכול לפעול כ- 16 סיביות נמוך כוח תקשורת ולאחר מכן לעבור ניתוח מהיר של נתונים מ-FedExtraable:

שילוב של Machine Learning for Adaptive Filtering

מעבר מאיץי ML, אלגוריתמי למידת מכונה משמשים כדי להתאים את הפן האנלוגי בפני עצמו.לדוגמה, רשת עצבית יכולה ללמוד את פרופיל הרעש של הסביבה ולהתאים את רווח של ADC, מהפך, ופילטר אפקטיביות כדי לשמור על טווח דינמי אופטימלית.זה "עצמי-אדפטי" מעגל האנלוגי מקטין את הצורך עבור cabration ידני ומשפר את העוצמה המוקדמת של טכניקות אלה הוכחושנות במהירות.

יישומים בתעשיות

החידושים המתוארים לעיל מאפשרים יישומים טרנספורמטיביים במספר מגזרים.

תקשורת

5G ותחנות הבסיס של 6G דורשות ADCs עם 10 + GS / של sampling שערי ו 12 + סיביות של החלטה כדי לדיגיטליזציה אותות רדיו פס רחב. ICs עם עיבוד דיגיטלי משולב יכול לבצע predistortion דיגיטלית (DPD) כדי לינאריזציה של מגברי חשמל באופן ישיר, צמצום צריכת האנרגיה עד 20-30%.

בריאות ורפואה

ADCs ברזולוציה גבוהה הם חיוניים עבור אולטרסאונד, X-ray, MRI ומכשירי ECG ניידים. ICs Active-signal המשלב ADC עם סופר-ערוצי דיגיטלי על-ידי שבב או מסנן רעש להפחית את העלות ואת גודל המערכת.לדוגמה, מכשיר אולטרסאונד עם 32-ערוצי ביניים של אולטרסאונד מול ASIC משלב פיצוי בזמן עם סינון דיגיטלי ו- אבטיפוס האחרון הוכיחו 16 סיביות / C.

רכב

מערכות ניהול מתקדמות (ADAS) מסתמכות על מכ"ם, לידר וחיישנים מצלמה המזהמים אותות אנלוגיים בשיעורים גבוהים. ICs ב- ICs (מרכזי תיבות של ICs) המיועדים לטמפרטורה ואמינות של כיתה של רכב משלבים 12 עד 14-bit ADCs עם DSPs ייעודי לאיתור ולסיווגציה. השבבים האחרונים מ-FLT:0exas InstrumentsFLT משלבים מספר רב ו-F במהירות עם מגבלות זמן-D2 עם טווח זמן משולב (DP) באופן דומה) עם מעבדי תיבות של DSPto-DPT-DPT-DPT-DPT-DPlastal).

כלכלה תעשייתית ותנאי ניטור

אוטומציה במפעל דורשת רטט, טמפרטורה וחיישנים נוכחיים המספקים נתונים בזמן אמת. ICs עם 24bit ADCs ו DSP משובצים יכול לבצע ניתוח תדירות (FFT) על נתוני חיישן כדי לזהות ללבוש או חוסר איזון לפני כשלון.שילוב של ML aomaly זיהוי נוסף מפחית את אזעקות שווא ומאפשר תחזוקה חיזוי.

מוצרי אלקטרוניקה

סמארטפונים, לבישים, ומכשירים ביתיים חכמים דורשים פתרונות קומפקטיים, בעלי עוצמה נמוכה מעורבים קידודים.קוד אודיו מודרני משלבים sigma-delta ADCs עם עיבוד אודיו דיגיטלי (ביטול רעש, השווה) בחבילות קטנות יותר מאשר זיהוי אצבע.בחיישנים תמונה, עמודה ADCs (לעתים קרובות SAR או מחזורי) עם לוגיקה דיגיטלית קורא גבוה ב רזולוציה קולית של פעילות גופנית תמיד תחת שבב קולית פשוטה.

אתגרים וכיוונים עתידיים

למרות התקדמות מרשימה, כמה אתגרים נותרו לעצב מחקר בעשור הבא.

מינימום קיצוני

כמו תהליך גיאוגרפית מתכווץ ל 7 nm ומעבר, מעגלים אנלוגיים סובלים מהתאמה מוגברת, דליפה, ורווח פנימי נמוך יותר. מעצבים מעורבים-signal חייב לשתף פעולה עם בלוקים דיגיטליים ואנלוגיים, לעתים קרובות נעים יותר פונקציונליות לתוך התחום הדיגיטלי (למשל, באמצעות קיטוב דיגיטלי לתקן שגיאות אנלוגיות).

אינטגרציה גבוהה יותר

3 ממדים (3D) אינטגרציה וערימה heterogeneous מציעים נתיב לשלב מספר מת - כל אופטימיזציה עבור הפונקציה שלה (למשל, RF, ADC, דיגיטלי) - לחבילה אחת עם חיבורים דק-pitch.באמצעות-silicon באמצעות (TSVs) ומיקרו-bumps מאפשרים רוחב פס גבוה ושפל בין שכבות דיגיטליות ומהירות מופיע שבבים מבטיח.

אנרגיה-אנרגיה ב- Edge

יישומים רבים של IoT ויישומים לבישים דורשים תקציבי איסוף אנרגיה של 10 מיקרו-ואו פחות. Analog-to-to-data המרחסמים ישירות נתונים לפני דיגיטציה (למשל, דחיסות דחיסה ADCs) יכול להשיג הזמנות של מ-matude חסכון כוח. ליד-reshold מעגלים דיגיטליים בשילוב עם ADCs אולטרה-low-Power ADCs (subW) הם שפותחו על מנת לפקח על ידי אפקט VCC (D) אשר עשוי להיות צעד רציף של כוח עליון / מוטציות (D) אשר עשוי לדחוף את התוצאה הסופית של כוח עליון (D) הוא צעד אחד / מוטציות (D) למטה.

אבטחה במערכות מעורבות

מעגלים אנלוגיים ודיגיטליים משולבים יוצרים משטחים חדשים של התקפה, כגון דליפת ערוצים צד מאספקת החשמל או קרינה אלקטרומגנטית.איי.איי. ה-ICs עתידיים עשויים לשלב פונקציות פיזיות שאינן ניתנות לתפוצה (PUFs) באמצעות וריאציות תהליכים אקראיות במעגלים אנלוגיים לאימות. Tamper Detection ו-Data Productמוצפנים הופכים גם חיוניים ליישומים תעשייתיים והגנתיים.

Cryogenic ו- Quantum Applications

מחשוב קוונטי ומכשירי חלל עמוקים דורשים ADCs שפועלים בטמפרטורות Cryo-CMOS (few kelvins) ועיצובים מיוחדים, כגון אלה המשמשים לקריאה של מדינות qubit, הוכחו עם החלטה מתונה (10-12 ביטים) אבל בעוצמה נמוכה מאוד. חידושים בנספח, עיצוב רעש, ואינטגרציה יהיה צורך במערכות בקנה מידה אלה למיליונים.

מסקנה

השילוב של ממירים אנלוגיים-לדיגיטליים עם עיבוד דיגיטלי על שבב הגיע לרמה חדשה של תחכום.אדריכלות היברידית, קיטוב מתקדם, ניהול כוח, יכולת הפעלה מחדש, ושילוב למידת מכונה הם מניעים ביצועים לגבולות של מה אפשרי מבחינה גופנית. החידושים האלה כבר פרוסים ביישומים קריטיים על פני תקשורת, בריאות, תעשיית הרכב, ואלקטרוניקה.