Будущее технологий ADC: тенденции и прогнозы на следующее десятилетие

Масштабирование технологических процессов и его недовольство

Переход на передовые узлы CMOS (7 нм, 5 нм и далее) представляет как возможности, так и проблемы для проектирования ADC. Транзисторы FinFET и Gate-all-around (GAA) предлагают более высокий внутренний коэффициент усиления и меньшую паразитную емкость, что непосредственно приносит пользу аналоговому фронтенду. Однако пониженные напряжения питания - часто ниже 0,9 В - сильно ограничивают качание сигнала, затрудняя достижение высоких передаточных передаточных передач. Дизайнеры все чаще обращаются к методам калибровки с цифровыми данными, вводимым вариацией процесса. Эти методы, которые включают фоновые и передние калибровочные петли, могут корректировать для смещения, несоответствия и нелинейности после изготовления, эффективно отделяя аналоговую точность от ограничений процесса. Эта тенденция к цифровой коррекции является определяющей характеристикой современной высокопроизводительной конструкции ADC.

Предсказание номер один: программно-определяемый ADC

Одним из наиболее трансформационных прогнозов на следующее десятилетие является рост того, что можно назвать «программно-определяемым ADC». Эта концепция расширяет принципы программно-определяемого радио в домен преобразователя данных. Вместо фиксированной архитектуры, оптимизированной для одного приложения, будущие ADC будут включать в себя перенастраиваемые строительные блоки — усилители переменного усиления, программируемые банки фильтров и схемы смещения с цифровым управлением, которые позволяют преобразователю адаптировать свой профиль производительности на лету.

Рассмотрим один ADC, развернутый в многорежимном приемнике связи. В течение периода с низким сигналом преобразователь может перенастроить для максимальной чувствительности, расставляя приоритеты разрешения над скоростью. В высокопроизводительном всплеске данных тот же ADC может переключиться на широкополосный режим с более низким разрешением, но значительно более высокой скоростью выборки. Эта гибкость будет обеспечена глубокой интеграцией с машинными движками вывода, которые контролируют среду сигнала и настраивают параметры преобразователя в режиме реального времени. Адаптивные ADC представляют собой сдвиг парадигмы от универсального аппаратного обеспечения к универсальным, когнитивным интерфейсам зондирования. Этот подход не только снижает сложность системы, но и продлевает срок полезного использования аппаратного обеспечения, развернутого в быстро развивающихся сетях.

Прогноз второй: всепроникающая цифровая калибровка и самоисцеление

Вторым крупным прогнозом является созревание самовосстанавливающихся систем АЦП. Сегодня калибровка обычно выполняется во время производства или при запуске системы. Завтра АЦП будут непрерывно контролировать свои собственные показатели во время работы, обнаруживать деградацию, вызванную дрейфом температуры, старением или радиационным воздействием, и автономно применять корректирующие меры.

Методы фоновой калибровки

Фоновая калибровка работает без прерывания нормального процесса преобразования. Путем впрыскивания известного опорного сигнала (часто с использованием псевдослучайной последовательности шума) в путь преобразователя и корреляции его с выходом можно оценить и исправить ошибки в цифровой области. Расширенные реализации теперь могут исправить сложные, частотные нелинейности. Например, трубопровод ADC с межстадийными ошибками усиления может использовать корреляционный фоновый цикл для поддержания более 90 дБ ложно-свободного динамического диапазона (SFDR) в широком температурном диапазоне. Будущие системы расширят это до многомерной калибровки, одновременно корректируя для перекрестного разговора между несколькими каналами в параллельном массиве.

Прогностический мониторинг здоровья

Заглядывая дальше, ADCs будут включать в себя возможности управления прогнозным здоровьем. Отслеживая дрейф внутренних токов смещения, эталонных напряжений и порогов компаратора, система может предсказать оставшийся срок полезного использования и планировать техническое обслуживание или реконфигурацию до сбоя. Эта способность особенно важна в аэрокосмической, оборонной и глубоководной разведке приложений, где физический доступ к оборудованию ограничен или невозможен. Аналоговые устройства опубликовали обширный материал о следующем поколении самокалибровочных преобразователей данных , излагая, как эти методы переходят из исследовательских лабораторий в коммерческий кремний.

Прогноз третий: Энергоэффективность в экстремальном состоянии

Энергоэффективность всегда была основным показателем проектирования для ADC, но в следующем десятилетии она станет определяющим ограничением для целых классов приложений. Узлы беспроводных датчиков, работающие от сбора энергии или крошечных батарей, должны работать в течение многих лет без замены батареи. Между тем, межсоединения центров обработки данных и оптические линии связи требуют преобразователей, которые могут обрабатывать массивные потоки данных без подавляющего теплового бюджета.

Суб-pJ/Конверсионные цели

Промышленная дорожная карта нацелена на ADC, которые достигают менее одного фемтоджоуля на шаг преобразования для приложений с умеренным разрешением (8-10 бит, десятки MSPS). Это требует агрессивного использования динамических схемных методов, таких как динамические компараторы , которые не потребляют статической мощности и архитектуры SAR с перераспределением заряда, которые используют массивы с коммутируемыми конденсаторами с минимальными накладными расходами. ADC с последовательным приближением регистра (SAR) уже продемонстрировали эффективность ниже 1 fJ / шаг преобразования в глубокой субмикронной CMOS, и будущие поколения будут продвигать это ниже 100 aJ / шаг преобразования.