Karma-signal Bütünleşik Devrelerdeki Yenilikler Dijital İşleme ile Kombinasyon

Giriş: Analog ve Dijitalliğin Yakınlığı

Modern elektronik, gerçek dünya analog sinyalleri işleme, analiz ve kontrol için dijital verilere dönüştürmek için her zaman yüksek performanslı performans talep ediyor. Karma-signal bütünleşik devreler (ICs) basit dönüştürücüler ve komparlardan, analog-dijital dönüştürücüler (ADCs) karmaşık dijital işleme birimleriyle bir araya getiren çok entegre sistemlere kadar güncelleştirilmiş dijital işlemden elde edilen yeniliklere sahip.Bu yakınlaştırma, onları en hızlı ve enerji verimli bir şekilde elde edebilir (IOS iletişimden tıbbi tanıya kadar)

Karma-Signal Entegrasyonunun Evrimi

Tarihsel olarak, analog ve dijital devreler ayrı bir çip üzerinde ya da hatta ayrı paketler üzerinde üretildi. analog ön uç (ADC dahil) dijital mantıktan gürültü ve güç tedarik müdahalesinden kaçınmak için izole edildi. yarı iletken süreçler olarak, tasarımcılar her iki tür devreyi tek bir çip üzerinde entegre etmeye başladı, analog-dost sinyal (SDC) bu sistem-kahramanları ve gerçek zamanlı sinyalleri kullanarak dijital kontrolleri ve gerçek zamanlı olarak kapatıyorlardı.

ADC Architectures'da parçalanıyor

ADC, karmaşık imza sistemi temel taşı olarak kalır. Son yıllarda çeşitli mimarilerde olağanüstü ilerlemeler gördü, her biri hız, karar ve güç arasında belirli ticaret-offları hedefledi.

Sigma-Delta Modulators

Sigma-delta ADCs, yüksek çözünürlüklü uygulamalara (16-32 bit) sahip olmak için yüksek çözünürlükte hakimliklerini genişletmiştir ve sürekli zamanlı sigma-deltatörler (CT-SDM) mükemmel doğrusallık ve dinamik modları elde etmek, yüksek gürültüyü ve daha düşük gücü kullanarak sensör arayüzleri ortadan kaldırmak için ihtiyaçtır. Dördüncü sipariş ve beşinci sıralı döngüler, çok zamanlı ölçümler ve dinamik bir şekilde yapılan son derece doğrusallık ve dinamik modları ile birlikte, mükemmel doğrusallık ve dinamik aralıkları elde etmek için son derece uygundur.

Başarılı Approximation Register (SAR) ADCs

SAR ADCs, alt-milliwatt güç tüketimini gelişmiş FinFET süreçleri ile birlikte elde ederken örnekleme oranlarına sahiptir.Döneticileri ve elektriksel geçişler, yüksek çözünürlükte yapılan kontroller gibi yüksek çözünürlükte yapılan ölçümler için idealdir.

Boru ve Zaman-Inter leaved ADCs

En yüksek örnekleme oranları ( GS/s), boru hattı ve zaman-intereard mimarlıklar çok sayıda aşamaya geçişleri kırıyor, her biri paralel olarak, her bir örnekleme dijital-analog (MDACAC) arasındaki fark, analog kanallar ve geri dönüşümler, sayısal zaman aralığı ve güçlendiriciler arasındaki fark yaratıyor.

In-Chip Digital Processing Entegrasyon

ADC olarak doğrudan dijital işlemenin entegre edilmesi, harici veri otobüslerinin bant şişesini ortadan kaldırır ve gecikme azaltır. Bu yakın darbe, dijital filtreleme, decimasyon, frekans çevirisi ve hatta çipleri terk etmeden önce gelişmiş gerçek zamanlı işlemleri sağlar.

DSP ve Mikrokontrolörler

Birçok modern karma-signal ICs, analog cihazlardan oluşan bir DSP veya düşük güç mikrokontrolü (MCU) çekirdeği, ARM Cortex-M gibi, ev sahibi olmayan bir işlemci olmadan kontrol etmek için. Örneğin, ADuCM3229, Analog cihazlardan oluşan bir araya gelir. DSP, otomatik olarak daha etkili bir dijital filtreyi kaldırmak için de uygulanabilir.

Yüksek-Throughput için özel Dijital Mantık

ultra yüksek hızlı uygulamalar (örneğin, 100 GS / ADC sistemleri), zor dijital işleme gerekli. Paralel saatine kadar (FIR) filtreler, hızlı Fourier dönüşüm (FFT) motorlar ve decimasyon zincirleri, son derece tanımlanmış radyo ve radar sistemleri ile uygulanır.Bu yaklaşım, güç tüketimi yönetilebilir.CFLS gibi şirketler Xilinx (şimdi AMD) ve Intel, çok boyutlu bir şekilde entegre eden RFSoC platformlarını sunar.

AI ve Machine Learning Hızlandırıcılar

En heyecan verici trendlerden biri hafif makine öğrenimi (ML) hızlandırıcılar doğrudan karışık bir şekilde IC'lere bağlanır. Bu hızlandırıcılar, mikrosaniyede radar geri dönüşlerini, sadece 50 μW'yi kullanarak analog-enerji sınırının belirlenmesini sağlar. Örneğin, ISSCC'de açıklanan son bir prototip, küçük bir konvolual sinir ağı ile ADC'yi bir araya getirir.

Key Innovations Araba Performansı

Temel ADC ve DSP entegrasyonunun ötesinde, çeşitli özel yenilikler karma imzalı IC'lerin genel performansını önemli ölçüde güçlendirdi.

Hybrid ADC Architectures

Hız ve karar için optimize etmek için, tasarımcılar, farklı ADC tiplerinin güçlerini bir araya getiren karma mimarileri yarattılar. Örneğin, bir sigma-delta modüllator yüksek çözünürlüklü ancak daha düşük bant genişliği parçaları için kullanılabilir, paralel bir SAR ADC üst düzey ADC işliyor ve 10bit ADC aynı zamanda giriş koşulları için ticaret hızına izin veriyor.

On-Chip Digital Calibration

Üretim varyasyonları (işlem, gerilim, sıcaklık) ve yaşlanma ADC lineerity. Digital calibration teknikleri, hem de foreground (günlük) ve arka plan (zaman), dış referanslar olmadan doğru hatalar. arka plan Kalibrasyon özellikle de değerlidir, çünkü makine öğrenimine dayalı olarak, yarı-ADC mimarisi gibi hızlar için hesaplamalar için bile tahmin edebilir ve ön-tavılmaşırtıcı olmayan sinyal zincirin tümünde ön-tavılmalara izin verir.

Gelişmiş Güç Yönetimi

Power verimliliği, portatif ve IoT cihazları için kritiktir. Karma-signal ICs şimdi aktivite patlamaları arasında dinamik gerilim ölçeklendirme (DVS) ve güç kesintisi, ADC çekirdeği, SNR'yi azaltmadan% 40'a kadar güç azaltılabilir ve dijital işleme blokları, küçük bir bataryadan yıllarca sürekli izleme imkanı sağlar.

Yeniden yapılandırılabilir ve Software-Defined Converter

Bir sonraki sınır yeniden yapılandırılabilir: örneğin, ADC çözünürlüğünü, örnekleme oranını ve dijital filtre özelliklerini yazılım kontrolü altında uçarak tek bir çipin birden fazla rol hizmet etmesine izin verir.For example, a reurable ADC may run as a 16-bit düşük güç dönüştürücüs for voice communication and then switch to a 12-bit high- speed mode for data Resepsiyon.

Adaptif Filtreleme için Makine Öğrenmesinin Entegrasyonu

ML hızlandırıcılarının ötesinde, makine öğrenme algoritmaları analog ön uçu kendini adapte etmek için kullanılır. Örneğin, bir sinir ağı, çevrenin gürültü profilini öğrenebilir ve ADC'nin kazançlarını ayarlamak, dengelemek ve filtre katları en uygun dinamik aralığı korumak için kullanılır.Bu tür teknikler özellikle de hızlı bir şekilde değişir.

Uygulamaları Across Industries

Yukarıda açıklanan yenilikler, birden çok sektörde dönüştürücü uygulamalar sağlar.

Telekomünikasyon

5G ve gelişmekte olan 6G baz istasyonları, ADC'leri 10+ GS / örnekleme oranları ve 12+ sayılarını sayısal olarak geniş bant radyo sinyalleri ile donatılmış sayısal olarak tanımlayan sayısal işleme ile devre dışı bırakmak için dijital kayıt işlemi gerçekleştirebilir (DPD), doğrudan doğruya doğrulanmış frekansları ortadan kaldıran bu tür çiplere, birden fazla taşıyıcı frekansı ve standartları ortadan kaldırabilecek şekilde tedarik edebilir.

Sağlık ve Tıbbi Görüntüleme

Yüksek çözünürlüklü ADCs ultrason, X-ray, MRG ve portatif ECG makineleri için gereklidir. Son zamanlarda ADC'yi 10 mW'nin altındaki kanal gücü ile bir araya getiren 16 kanallı ADC'ler, kablosuz radyolar için. Örneğin, 32 kanalda, ultra ekranlı ASIC, dijital filtreleme ve sıkıştırma ile analog zaman ödemelerini birleştirir. Son prototipler, 10 mW'nin altındaki 40 MS /s kanal içi ağ kanaldaki izleme veya gürültü filtreleme ile devam eder.

Otomotiv Otomotiv Otomotiv Otomotiv

Gelişmiş sürücü-assistance sistemleri (ADAS) radara, kapaklılara ve kamera sensörlerine güvenir.Cep-signal ICs, otomotiv-grad sıcaklık aralığı ve güvenilirlik, 12-14-bit ADCs'leri nesne algılama ve sınıflandırma için özel DSP'lere entegre eder.The latest radarlar (1-2 GS/s) Hassasiyetler için birçok iletiyi birleştirir ve DSP çekirdeği ile kanallarını gerçek zamanlı olarak birleştirir.

Endüstriyel IoT ve Durum İzleme

Fabrika otomasyonları, titreşim, sıcaklık ve gerçek zamanlı olarak verileri sağlayan mevcut sensörler talep eder. Karma-signal ICs ile 24bit ADCs ve gömülü DSPs, frekans analizini (FFT) sensör verileri üzerinde taşıma veya dengesizlik tespit etmek için frekans analizi yapabilir.Bu ICs, yanlış alarmları azaltır ve tahmin edilebilir bakım sağlar. Örnekler ADXL356 serisini entegre dijital filtreleme ve gömülü DSP'ler, çip alarm eşiği ile frekans algılamayı sağlar.

Tüketici Elektronik

Akıllı telefonlar, giyilebilirler ve akıllı ev cihazları, düşük paralı karma çözümler talep eder. Modern ses kodları çok çözünürlüklü bir araya getiriyor dijital ses işleme (parlama iptali, eşitleştirme) 100 mW'nin altında satın alırken, düşük güç ADC ve basit bir sinir ağı kullanarak yüksek çözünürlüklü videoyu 60 fps'de kullanarak.

Meydanlar ve Gelecek Yollar

etkileyici ilerlemeye rağmen, önümüzdeki on yılda birkaç zorluk araştırmayı şekillendirecek.

Extreme Miniaturization

Süreç geometrileri 7 nm'ye ve ötesinde, analog devreler gelişmiş düğümlerde analog tasarım için artan yanlıştan muzdariptir ve karmaşık imza tasarımcıları dijital ve analog blokları optimize etmeye devam etmelidirler.

Yüksek İnteal Yoğunluğu

Üç boyutlu (3D) entegrasyon ve heterojen yığınlama birden çok ölüyü bir araya getirmenin bir yolunu sunuyor - analog ve dijital katmanlar arasında optimize edilmiştir. Erken modüller, sunucu ve telecom sektörlerinde, vaat eden modüler ve faydalar ile ortaya çıkıyor.

Edge-Efficiency at the Edge-Efficiency at the Edge-Efficiency at the Edge-Efficiency at the Edge-Efficiency at the Edge-Efficiency at the Edge-

Birçok IoT ve giyilebilir uygulama, dijital devrelerin ultra-düşük-enerjiye entegre edilmesi gereken 10 μW veya daha az enerji üretme bütçelerini gerektirir.S.g., sıkıştırıcı bir algılama ADCs) 1 fJ / geri dönüşüm-şarıtma altında, bu da sürekli izleme için geliştirilecektir.

Karma-Signal Systems'de Güvenlik

Entegre analog ve dijital devreler, analog devrelerdeki rastgele işlem varyasyonlarını kullanarak fiziksel olarak güvenilmez işlevleri içerebilir. Tamper algılama ve şifreli veri çıktısı da endüstriyel ve savunma uygulamaları için gerekli hale gelmektedir.

Ağojenik ve Kuantum Uygulamaları

Kuantum Hesaplama ve derin uzay aracı, krigen sıcaklıklarında çalışan ADC'ler gerektirir (few kelvins). Ağo-CMOS ve bu sistemleri milyonlarca qubit eyaletine kadar okumak için kullanılanlar gibi, son derece düşük güçle gösterilmiştir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Analog dijital işleme ile analog dönüştürücülerin kombinasyonu, telekomünikasyon, sağlık, otomotiv, endüstri ve tüketici elektronikleri ile ilgili yeni bir uygulamaya ulaştı. Enerji verimliliği, ve istihbarat - karışık-signal bütünleme devreleri sadece dönüştürücüler için performans gösteriyor, ancak dijital dünyanın kenarındaki kritik uygulamalarla akıllı veriler tercümanlar.