Инновации в интегральных схемах со смешанными сигналами, сочетающие рекламные объявления с цифровой обработкой

Введение: конвергенция аналогового и цифрового

Современная электроника требует все более высокой производительности в преобразовании аналоговых сигналов реального мира в цифровые данные для обработки, анализа и управления. Интегральные схемы со смешанными сигналами (IC) превратились из простых преобразователей и компараторов в высокоинтегрированные системы на чипе, которые сочетают аналоговые цифровые преобразователи (ADC) со сложными цифровыми процессорами. Эта конвергенция позволяет быстрее, точнее и энергоэффективнее решения для всего, от связи 5G до медицинской диагностики. Недавние инновации в архитектуре, калибровке и интеграции раздвинули границы того, что могут достичь IC со смешанными сигналами, что делает их незаменимыми в эпоху Интернета вещей (IoT), искусственного интеллекта (AI) и высокоскоростного сбора данных.

Эволюция интеграции смешанных сигналов

Исторически аналоговые и цифровые схемы изготавливались на отдельных кристаллах или даже отдельных пакетах. Аналоговые фронтенды (включая ADC) были изолированы от цифровой логики, чтобы избежать шумовой связи и помех электропитания. По мере сокращения полупроводниковых процессов дизайнеры начали интегрировать оба типа схем на одном чипе, используя преимущества передовых узлов для цифровых при использовании аналоговых вариантов процесса. Этот подход на чипе (SoC) резко сокращает пространство на плате, межсоединительные паразиты и задержку. Сегодня передовые смешанные сигнальные ИС объединяют мульти-GS /s ADC, цифровые сигнальные процессоры (DSP) и даже ускорители ИИ на одном кристалле, что позволяет управлять замкнутым контуром и кондиционирование сигнала в реальном времени, что ранее было невозможно.

Прорывы в архитектуре ADC

ADC остается краеугольным камнем любой системы смешанного сигнала.В последние годы были достигнуты значительные успехи в нескольких архитектурах, каждая из которых нацелена на конкретные компромиссы между скоростью, разрешением и мощностью.

Модуляторы Sigma-Delta

Sigma-delta ADC расширили свое доминирование в приложениях с высоким разрешением (16-32 бит) за счет использования избыточной выборки и формования шума. Инновации, такие как модуляторы сигма-дельта непрерывного времени (CT-SDM), устраняют необходимость быстрого оседания в сети выборки, обеспечивая более высокую пропускную способность и меньшую мощность. Четвёртый и пятый порядок петли в сочетании с многобитными квантователями и сопоставлением динамических элементов, достигают отличной линейности и динамического диапазона. Эти преобразователи теперь используются в высокоточных приборах, аудио и сенсорных интерфейсах, где низкий уровень шума имеет решающее значение. Недавние проекты выдвинули полосу пропускания сигнала за пределы 100 МГц с 16-битным разрешением, как сообщается в IEEE журналах .

АЦП с последовательным регистром приближения (SAR)

SAR ADCs претерпели ренессанс благодаря асинхронной логике, емкостному масштабированию DAC и методам избыточности. Современные SAR-преобразователи достигают скорости выборки, превышающей 10 GS/s при 12-битном разрешении при сохранении субмилливаттного энергопотребления в продвинутых процессах FinFET. Диапазоны распределения заряда с раздельными конденсаторными массивами и монотонным переключением уменьшают площадь и мощность. Внедрение избыточных алгоритмов SAR, таких как использующие компараторы со встроенными порогами, ускоряет преобразование без ущерба для точности. Эти ADC идеально подходят для высокоскоростных приложений, таких как радар, оптическая связь и цифровые осциллографы. Примечательным примером является серия AD4000 от Analog Devices, которая достигает 18-битного разрешения при 2 MS/s со сверхнизкой мощностью.

Для самых высоких частот выборки (десятки GS/s) доминируют трубопроводные и временные архитектуры. Трубопроводные ADC разбивают преобразование на несколько этапов, каждый с грубым суб-ADC и умножающимся цифровым аналоговым преобразователем (MDAC). Инновации в совместном использовании операционных усилителей, цифровой фоновой калибровке и усилении остатков улучшили линейность и уменьшили мощность. Время-усложнение объединяет много ADC параллельно, каждая выборка с долей общей скорости. Основная проблема заключается в несоответствиях между каналами - выигрыш, офсет, перекос времени - которые ухудшают ложный динамический диапазон (SFDR). Недавние исследования в Техасских инструментах и университетах привели к цифровым корректирующим двигателям на чипе, которые адаптивно отменяют эти несоответствия в реальном времени, достигая более 70 дБ SFDR при 40 GS /s.

Для сверхскоростных приложений (например, 100 GS/s ADC систем) важна проводная цифровая обработка. Параллельные фильтры с конечным импульсным откликом (FIR), двигатели быстрого преобразования Фурье (FFT) и цепи децимации реализованы в виде выделенных логических блоков. Этот подход обеспечивает необходимую пропускную способность при сохранении управляемого энергопотребления. Такие компании, как Xilinx (теперь AMD) и Intel предлагают платформы RFSoC, которые интегрируют мульти-GS/s ADC с тканью FPGA, что позволяет программно-определяемые радио- и радиолокационные системы. Недавний Zynq UltraScale + RFSoC включает до 16 ADC на 5 GS/s и обширные ресурсы цифровой обработки на одном чипе.

Ускорители ИИ и машинного обучения

Одной из наиболее интересных тенденций является внедрение легких ускорителей машинного обучения (ML) непосредственно на ИС со смешанными сигналами. Эти ускорители могут реализовывать нейронные сети для адаптивной фильтрации, обнаружения аномалий или классификации сигналов на границе аналог-цифра. Например, недавний прототип, описанный в ISSCC, объединил 12-битный SAR ADC с небольшой сверточной нейронной сетью (CNN) для классификации радарных возвращений в микросекундах, потребляя всего 50 мкВт. Эта возможность позволяет по-настоящему интеллектуальным датчикам, которые могут предварительно обрабатывать данные локально, уменьшая потребность в облачной связи и сохраняя полосу пропускания. Пока еще появляется, такая интеграция обещает революционизировать граничные вычисления.

Ключевые инновации Движущая эффективность

Помимо базовой интеграции ADC и DSP, несколько конкретных инноваций значительно повысили общую производительность ИС со смешанными сигналами.

Гибридная архитектура ADC

Для оптимизации скорости и разрешения одновременно дизайнеры создали гибридные архитектуры, которые сочетают в себе сильные стороны различных типов ADC. Например, модулятор сигма-дельта может использоваться для участков с высоким разрешением, но с меньшей пропускной способностью, в то время как параллельный SAR ADC обрабатывает высокоскоростные события. Эти преобразователи могут работать в тандемном или коммутационном режимах на основе условий ввода. Коммерческим примером является MAX11190, который включает в себя как 16-битный ADC сигма-дельта, так и 10-битный SAR ADC на одном и том же кристалле, что позволяет системе отменять разрешение на скорость по мере необходимости.

Цифровая калибровка на чипе

Производственные вариации (процесс, напряжение, температура) и старение ухудшают линейность ADC. Цифровые методы калибровки, как передний план (в процессе запуска), так и фон (время выполнения), исправляют ошибки без внешних ссылок. Фоновая калибровка особенно ценна, потому что она продолжает работать во время нормальной конверсии, компенсируя дрейф. Такие методы, как архитектура сплит-ADC, впрыск дитера и оценка на основе корреляции, позволяют устранять несоответствия DAC, смещения компараторов и ошибки синхронизации. Последние достижения в калибровке на основе машинного обучения могут даже прогнозировать и заранее компенсировать нелинейности по всей сигнальной цепи.

Передовые управления питанием

Эффективность питания имеет решающее значение для портативных и IoT-устройств. Смешанные сигнальные ИС теперь включают динамическое масштабирование напряжения (DVS) и замер мощности на уровне подблока. Например, ядро ADC может быть смещено до более низкого тока, когда приемлема более низкая пропускная способность, а цифровые блоки обработки могут быть синхронизированы по часам или отключены между всплесками активности. Адаптивные методы смещения регулируют напряжение питания компаратора на основе скорости ввода разряда, снижая мощность до 40% без ущерба для SNR. Эти инновации позволяют непрерывно контролировать в течение многих лет от небольшой батареи.

Конвертеры, реконфигурируемые и определяемые программным обеспечением

Следующим рубежом является реконфигурируемость: ИС со смешанными сигналами, которые могут изменять свое разрешение ADC, скорость отбора проб и характеристики цифрового фильтра на лету под управлением программного обеспечения. Эта гибкость позволяет одному чипу выполнять несколько ролей в радио, сенсорном концентраторе или испытательном оборудовании. Например, реконфигурируемый ADC может работать как 16-битный преобразователь малой мощности для голосовой связи, а затем переключаться на 12-битный высокоскоростной режим для приема данных. Недавние исследования из нескольких групп продемонстрировали такие архитектуры с использованием программируемых массивов SAR ADC с регулируемым разрешением и избыточной выборкой.

5G и новые базовые станции 6G требуют ADC с частотой дискретизации 10+ GS/s и разрешением 12+ бит для оцифровки широкополосных радиосигналов. Смешанные сигнальные ИС с интегрированной цифровой обработкой могут выполнять цифровое преискажение (DPD) для линеаризации усилителей мощности, снижая потребление энергии на 20-30%. Программно-определяемые радиостанции, оснащенные перенастраиваемыми ADC, могут обрабатывать несколько несущих частот и стандартов. Такие компании, как Аналоговые устройства , поставляют такие комбинированные чипы, которые непосредственно оцифровываются на промежуточных частотах, устраняя несколько этапов смешивания.

Здравоохранение и медицинская визуализация

АЦП высокого разрешения необходимы для ультразвуковых, рентгеновских, МРТ и портативных ЭКГ-машин. Смешанные сигнальные ИС, сочетающие многоканальный АЦП с цифрового формирования луча на кристалле или фильтрации шума, снижают стоимость и размер системы. Например, 32-канальный ультразвуковой фронтальный АСИК интегрирует аналоговую компенсацию времени с цифровой фильтрацией и сжатием. Последние прототипы продемонстрировали 16-битные АЦП при 40 мс/с с мощностью канала менее 10 мВт, что позволяет использовать беспроводные зонды. В биосенсорах сверхнизкомощные АЦП сигма-дельта, встроенные в классификаторы нейронных сетей, позволяют осуществлять непрерывный мониторинг глюкозы, ЭКГ или ЭЭГ с генерацией оповещения на устройстве.

автомобильный

Передовые системы помощи водителю (ADAS) полагаются на радары, лидары и датчики камеры, которые выдают аналоговые сигналы с высокой скоростью. Смешанные сигнальные ИС, предназначенные для диапазона температур автомобильного класса и надежности, интегрируют 12-14-битные АЦП с выделенными DSP для обнаружения и классификации объектов. Последние радиолокационные чипы от Texas Instruments объединяют несколько каналов передачи и приема с ядром DSP, которое обрабатывает спектры диапазона-доплера в реальном времени. Аналогично, лидарные приемники используют высокоскоростные АЦП (1-2 GS/s) с интегрированными временными цифровыми преобразователями для извлечения информации о расстоянии и отражательной способности.

Промышленный IoT и мониторинг состояния

Автоматизация завода требует вибрационных, температурных и текущих датчиков, которые предоставляют данные в режиме реального времени. Смешанные сигнальные ИС с 24-битными АЦП и встроенными DSP могут выполнять анализ частоты (FFT) на данных датчика для обнаружения износа подшипника или дисбаланса до отказа. Интеграция обнаружения аномалии ML дополнительно снижает ложные тревоги и позволяет прогнозировать техническое обслуживание. Примеры включают серию ADXL356 с интегрированной цифровой фильтрацией и датчик температуры MAX30205 с порогами оповещения на чипе. Эти ИС могут работать в течение многих лет на ячейке монеты, благодаря инновациям в управлении питанием.

Потребительская электроника

Смартфоны, носимые устройства и устройства умного дома требуют компактных маломощных смешанных сигнальных решений. Современные аудиокодеки сочетают многобитные ADC сигма-дельта с цифровой обработкой звука (отмена шума, выравнивание) в пакетах меньшего размера, чем ногтей. В датчиках изображений столбчатые параллельные ADC (часто SAR или циклические) с цифровой логикой в пикселе считывают видео высокого разрешения при потреблении менее 100 мВт. Интеграция всегда включенного обнаружения голосовой активности с использованием маломощного ADC и простой нейронной сети позволяет активировать бодрствующее слово без выделенного чипа DSP.

Проблемы и будущие направления

Несмотря на впечатляющий прогресс, в следующем десятилетии еще предстоит решить ряд задач, которые будут определять направление исследований.

Экстремальная миниатюризация

По мере того, как геометрия процессов сокращается до 7 нм и более, аналоговые схемы страдают от повышенного несоответствия, утечки и более низкого внутреннего усиления. Дизайнеры смешанных сигналов должны кооптимизировать цифровые и аналоговые блоки, часто перемещая больше функциональности в цифровую область (например, используя цифровую калибровку для исправления аналоговых ошибок). Инструменты для аналогового дизайна в продвинутых узлах улучшаются, но стоимость наборов масок и сложность дизайна продолжает расти.

Высшая плотность интеграции

Трехмерная (3D) интеграция и гетерогенное стекирование предлагают путь для объединения нескольких матриц - каждая оптимизирована для своей функции (например, RF, ADC, цифровая) - в единый пакет с тонкой связью. Сквозные силиконовые связки (TSV) и микро-насосы обеспечивают высокую пропускную способность и низкую задержку между аналоговым и цифровым слоями. Ранние системы смешанного сигнала на основе чиплетов появляются в серверном и телекоммуникационном секторах, обещая модульность и преимущества получения.

Энергоэффективность на краю

Многие IoT и носимые приложения требуют бюджетов сбора энергии 10 мкВт или менее. Аналоговые преобразователи, которые непосредственно сжимают данные перед оцифровкой (например, ADC сжимающего зондирования), могут достигать экономии мощности порядков величины. Для непрерывного мониторинга разрабатываются цифровые схемы с почти пороговым значением ADC в сочетании с ADC сверхнизкой мощности (под-1 мкВт). Цель состоит в том, чтобы подтолкнуть показатель заслуг Уолдена (энергия на шаг преобразования) ниже 1 fJ / шаг преобразования, что позволило бы повсеместное зондирование.

Безопасность в системах смешанного сигнала

Интегрированные аналоговые и цифровые схемы создают новые поверхности атаки, такие как утечка по боковым каналам от источника питания или электромагнитного излучения. Будущие ИС со смешанными сигналами могут включать физические неклонируемые функции (ПУФ) с использованием случайных вариаций процесса в аналоговых схемах для аутентификации. Обнаружение тампера и выход зашифрованных данных также становятся необходимыми для промышленных и оборонных приложений.

Криогенные и квантовые приложения

Квантовые вычисления и приборы глубокого космоса требуют АЦП, которые работают при криогенных температурах (несколько кельвинов). Крио-КМОП и специализированные конструкции смешанных сигналов, такие как те, которые используются для считывания состояний кубита, были продемонстрированы с умеренным разрешением (10-12 бит), но с чрезвычайно низкой мощностью. Инновации в дизайне компаратора, моделировании шума и интеграции охлаждения потребуются для масштабирования этих систем до миллионов кубитов.

Заключение

Сочетание аналого-цифровых преобразователей с цифровой обработкой на чипе достигло нового уровня сложности. Гибридные архитектуры, передовая калибровка, управление мощностью, реконфигурируемость и интеграция машинного обучения приводят к повышению производительности до пределов того, что физически возможно. Эти инновации уже развернуты в критических приложениях в телекоммуникациях, здравоохранении, автомобилестроении, промышленности и потребительской электронике. Дорожная карта впереди указывает на еще большую интеграцию, энергоэффективность и интеллект - создание интегральных схем с смешанными сигналами не только преобразователей, но и интеллектуальных интерпретаторов данных на краю цифрового мира.