Giriş: Dijital Dünyadaki Analog- Dijital Ağlama

Modern sistemlerin hızlı dijitalleştirilmesi, 5G Telekomünikasyon ve özerk araçlardan kullanılabilir tıbbi cihazlar ve endüstriyel sensörler giymeleri için olağanüstü talepler, analog fiziksel dünya ve dijital işleme motorları arasındaki arayüze yer verdi. analog-dijital dönüştürücü (ADC) bu kritik köprü olarak hizmet eder ve performansı doğrudan genel sistem doğruluğu, güç verimliliği ve büyüklüğü belirtir.

CMOS teknolojisi, milyarlarca transistör inşa edildiği temel tabakayı sağlar, aynı anda performans geliştirirken çok karmaşık entegre devrelerin yaratılmasına izin verir.Bu makale, CMOS proseslerinin sürekli ölçeklendirilmesi, mimari değişimlerini keşfederek, ticaret-sonuçlu sistemlerin tek bir çip üzerinde entegrasyonuna izin verdi.

Karma-Signal Systems'deki CMOS'un Temel Rolü

CMOS'un ADC geliştirme üzerindeki etkisini anlamak için, çiftleri şarj cihazı ve n tipi metal-oksit-semiktör alanı-sonuç transistörleri (MOSFETs) bipolar kavistlerin (BJTs) aksine, CMOS kapıları çok az statik gücü tüketiyor ve doğrudan dönüşümleri destekleyebiliyor.

Tamamen analog ADC tasarımının dijital olarak kabul edilen analog tasarıma geçiş, daha üst düzey bir CMOS ölçeklendirmesinin doğrudan bir sonucudur. Daha büyük süreçte düğümler, hassas analog bileşenler büyük geometriler ve dikkatli bir şekilde tasarım gerektirir.Modern derin-submikron düğümler, tek bir transistörün ham analog performansı sadece düşük alanın ve dijital CMOS devrelerinin hızı ve yoğunluğuna bağlı olarak arttı.

Compact ADC Uygulama için CMOS'un Anahtar Avantajları

Miniaturization and System-on-Chip Entegrasyon

CMOS teknolojisinin en belirgin avantajı, özellik boyutunu küçültme yeteneğidir. 0,5 μm işlemi, 1990'larda bir standalone ADC için kullanılabilir, modern ADCs 28 nm, 16 nm veya hatta 7 nm düğümleri ile inşa edilmiştir. Bu ölçekleme, analog bir fayda, ADC'nin büyük dijital motorlarla entegrasyonudur. Modern bir sistem-Chip (SoC) bir CPU, ve hatta 7 nm düğümleri ile birlikte gömülüdür.

Güç Verimliliği ve Enerji-Konstrained Operasyon

Güç tüketimi, taşınabilir elektronik için birincil bir tasarım kısıtlaması. CMOS teknolojisi bu alanda doğal avantajlar sunuyor. Dinamik güç tüketimi tedarik gerilimi karesiyle ölçeklenebilir. CMOS düğümleri 5V'den 0.9V'ye kadar göç etti ve daha düşük, bir dönüşüm gerçekleştirmek için gerekli olan enerjiler düştü.

Yüksek Operasyon Hızlarını Harnessing Higher Operational Speeds

CMOS kapısının uzunluğu azalırken, transistörlerin geçiş frekansı (fT) artar. Bu, ADC içindeki daha hızlı geçiş hızlarını kullanarak yapılır. Başarıyla ilgili olarak, başarı notu (SAR) ADC, daha hızlı bir hesaplama ve mantık döngüsü, son derece yüksek örnekleme oranlarına doğrudan bağlanır.Inste, yüksek hızlı ADCs genellikle dijital işlemden yararlanarak, dijital işlemden daha kolay hale gelir.

Ekonomik Scalability ve Manufacturing Maturity

Global yarı iletken endüstri, CMOS üretim tesislerine trilyon dolar yatırım yaptı. Bu olgun altyapı, ADC tasarımcılarına yüksek maliyetli üretim maliyetinin bir kısmında yüksek performanslı dönüştürücüler sunabilmeleri anlamına geliyor. Çünkü CMOS süreçleri mikroişmanlardan hafızaya kadar her şeyi inşa etmek için kullanılıyor, per-wafer maliyeti muazzam hacimlerde dağıtılıyor.ADC satıcılar için, bu, daha yüksek performanslı dönüştürücüler sunabilmeleri anlamına geliyor.

ADC Architectures üzerinde dönüştürücü etki

Belirli bir CMOS teknolojisinin özellikleri genellikle ADC mimarisinin en iyi olduğunu dikte etmez. Süreç teknolojisinin ölçeklendirilmesi diğerlerinden daha iyi desteklenmiştir, endüstride geçişlere yol açtı.

SAR ADCs'in Yeniden İncelenmesi ve Hakimliği

SAR ADC mimarisi, veri dönüştürme endüstrisinin işhorsu haline geldi, büyük ölçüde CMOS ölçeklendirme sayesinde. A SAR ADC, ikili ağırlıklı bir dijital cihazla dijital-ana dönüştürücü (CDAC), bir hesaplamacı ve dijital mantık haline gelir. CMOS geometrisi, örnekleme oranlarının 8 ila 18 bit oranında azaltılabilir, CDAC alanı azaltılır ve onu sürmek için gereken gücü azaltır.

Yüksek Çözünürlük Sigma-Delta Modulators

Sigma-delta ( ⁇ ) ADCs, aşırı ölüm alanı olmadan bu filtrenin uygulanmasına olanak sağlar (örneğin, 4th, 5th veya daha yüksek sipariş) bütünleme filtrelerini takip eden dijital bir bloktur. Modern CMOS düğümleri yoğunluğu, bu filtrenin aşırı kilo almadan uygulanmasına olanak sağlar. Ayrıca, daha yüksek çözünürlükte modüller oluşturma yeteneği (örneğin, 4th, 5th veya daha yüksek çözünürlükte 5.

Yüksek Hızlı Boru ve Zaman-Interleaved ADCs

Boru hatları ADCs, yüksek hız ve yüksek çözünürlükte elde etmek için birden çok aşama kullanır.Aynı anda CMOS ölçeklendirmesinden daha hızlı amorf ve anahtarlara kadar yararlanırlar. Ancak, ADCs, dijital kalibrasyontan CMOS'ta, birden fazla SAR ADC'ye paralel olarak, sistem tasarımcıları SAR ADC'ye yerleşene kadar çok yüksek bir örnekleme oranları elde edebilir.

Eleştirel Uygulamalar Compact CMOS ADCs tarafından kullanılabilir

CMOS tabanlı ADC'lerde gelişmeler doğrudan sıkı uzay ve güç bütçeleri içinde yüksek performans gerektiren yeni bir elektronik sistem nesli etkinleştirmiştir.

Kablosuz Altyapı ve 5G Massive MIMO

5G baz istasyonları, bir sistem dahil olmak üzere büyük çoklu-input multiple- ⁇ (MIMO) anten dizilerini kullanır.Bu diziler 64, 128 veya daha fazla anten elementine sahip olabilir, her biri kendi iletim ve ağ geçidi gerektirir, ADC dahil olmak üzere, bu dönüştürücülerin fizibilitesi, doğrudan dijital bilgilendiricilere bağlıdır, düşük güç ADCs'leri 5G altyapısı için tasarlayabilir)

Tıbbi Görüntüleme ve Giyilebilir Sağlık İzlemeleri

Portre ultrason cihazları, dijital işitme yardımı ve bileğin elektrokardiogram (ECG) monitörler düşük güçlere, multi-channel ADCs. CMOS entegrasyonu, tek bir çip üzerinde inşa edilmesi için tam bir analog ön uçlar sağlar. Örneğin, modern bir biyopotansiyel ölçüm sistemi-on-çizrusif bir amplifikatör içerir, bir programlanabilir aşama ve bir sigma-delta ADC, tüm ölçümler boyunca sadece birkaç milimetrelik bir pakette yapılır.

Otomotiv ADAS ve Özerk Araba

Gelişmiş sürücü-assistance sistemleri (ADAS) LiDAR, radar ve kameraları çevreyi algılamak için kullanıyor. Bu sistemlerde kullanılan ADCs çok düşük gecikmeli ve yüksek güvenilirlik ile çalışmalıdır. CMOS ADCs, radar alıcılarında ve LiDAR sistemlerindeki zaman ışığı verileri sayısallaştırmaya alışkındır.

Industrial Otomasyon ve IoT

Fabrikalarda ve akıllı binalardaki dağınık sensörler enerji-a Özerk operasyon gerektirir. Enerji hasat sistemleri genellikle çok az güç üreten küçük güneş hücreleri veya pastazoelektrik jeneratörleri kullanır. ultra-düşük güç CMOS ADC mikrowattlar üzerinde çalışabilir, sensöre sayısal verilere yol açabilir ve kablosuz olarak.Bu dönüştürücülerin kompakt formu akıllı toz ve yapısal sağlık izleme gibi gelişmekte olan uygulamalar için idealdir.

Derin-Submikron CMOS'ta Meydanlar ve Ticaret-Offs

CMOS ölçeklendirme birçok fayda sağlarken, analog tasarım için önemli zorluklar da ortaya koyar. Daha küçük geometrilere geçiş maliyeti olmadan değildir ve ADC tasarımcıları bu sorunları azaltmak için çalışmalıdır.

Azaltılmış Gerilme Baş Odak

Tedarik gerilimleri 1V'nin altında düşüşe geçtiğinde, ADC'nin dinamik aralığı kısıtlandı. Yüksek sinyal-noise oranları elde etmek daha zor hale gelir (SNR) çünkü maksimum sinyal salımı sınırlı. Tasarımcılar düşük çözünürlük tasarım tekniklerini kullanmalıdır ve sınırlı gerilim başı odasından maksimum performansı çıkarmak için dikkatli bir saat gerekir.

Device Mismatch ve Linearity

Derin-submikron CMOS, rastgele dopant dalgalanmaları ve lithografik sınırlamalar, bitişik transistörler arasında yanlış eşleştirmelere neden olur.Bu yanlış eşleştirme doğrudan integral olmayan (INL) ve ADC'nin (DNL) çalışmasını etkiler, tasarımcılar arka plan kalibrasyonu, foreground kalibrasyonu ve dinamik element eşleştirme (DEM) gibi dijital kalibrasyon tekniklerine güvenirler.

Termal Gürültü Sınırları

Termal gürültü (kT/C gürültü) temel fiziksel bir sınırdır. Kapasitetörler alanı kurtarmak için boyuta ölçeklenir, termal gürültü zemini artırır. Bu, alan ve gürültü performansı arasındaki doğrudan ticaret-off oluşturur. Yüksek çözünürlüklü ADCs için, örnekleme kapasitesi azaltılamaz; genellikle bu ticaretteki en büyük bileşen analog çekirdeğinde.

Altstrate Gürültü ve Crosstalk

Son derece entegre bir SoC'de, büyük dijital çekirdek, ortak substrat aracılığıyla hassas analog devrelere gürültü enjekte edebilir. Bu haçtalk, ADC'nin SNR'sini aşamaya çıkarabilir. Mitigation stratejileri, koruma halkalarının, derin n-da izolasyonun ve dikkatli zemin planlanmasının kullanımını içerir.

Future Yol ve CMOS ADCs için Ahead

CMOS teknolojisinin evrimi ADC tasarımında mümkün olanın sınırlarını zorlamaya devam ediyor. Birkaç önemli trend, bir sonraki kompakt dönüştürücülerin üretimini şekillendiriyor.

FinFET ve Gate-All-Around Transistors

Planar transistörlerinden FinFET'ye geçiş, planlayıcı düğümlerin geri kazanılmasında önemli bir fayda sağlıyor. FinFETs, daha yüksek transkondüktör (ro) ve daha iyi çıkış direnci (ro), bu, daha yüksek intrinsic kazanımı sağlar. Bu, planlayıcı düğümlerin bozulmasında acı çekti.

Makine Öğrenme On-Chip Kalibrasyon

Makine öğrenme algoritmaları doğrudan ADC'yi sürekli olarak adapte etmek ve kalibre etmek için dağıtılıyor. ADC çıktısını izleyebilir, sıcaklık veya yaşlanma nedeniyle olmayan veya dengelemeyi tespit eder ve ADC'nin kullanıcı müdahalesi olmadan geniş bir işletim koşullarını sürdürmesine olanak tanır.

Zaman-Domain ve Stochastic Architectures

Dijital devreler daha hızlı hale geldiğinde, zaman-domain ADCs daha çekici hale geliyor. Bu dönüştürücüler, dönüştürücüler ve ses dönüştürücüler, daha sonra dijital bir zaman dönüştürücü tarafından ölçülüyor ve dijital CMOS'un yüksek hızdan faydalanıyor.

3D ve Heterojen Paketler

Kompakt ADC'lerin geleceği sadece monolithic ölçeklendirmede değil, 3D entegrasyonda yatıyor.In- ⁇ vias (TSVs) ve çipletler ADC'nin her iki analog ve dijital dünyada da en iyi şekilde işlenmesine izin veriyor.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

CMOS teknolojisi temel olarak kompakt analog-dijital dönüştürücülerin gelişimini değiştirdi. Daha önce ölçeklenebilir, düşük güç sağlayarak ve maliyet etkin bir platform, yüksek performanslı ADCs'in, dijital kalibrasyona özel süreçlerden gelen aDCs, gelişmiş cihaza, daha küçük, daha enerji verimli ve daha entegre hale gelen cihazlara geçiş yapan bir teknoloji ile gerçek zorlukları sunuyor.