Energiatehokkain analogia-digitaalisiru

Analogi-digitaalimuuntimet ovat keskeinen osa melkein jokaista elektronista laitetta ja niiltä odotetaan yhä suurempaa kapasiteettia vähemmällä energiakulutuksella

Tätä varten tutkijat, joita Brigham Youngin yliopiston (BYU) tiimi johtaa, ovat juuri rakentaneet maailman energiatehokkaimman suurinopeuksisen analoginen-digitaalimuunnin (ADC) -mikrosirun.

ADC on pieni osa tekniikkaa, joka on läsnä melkein jokaisessa elektronisessa laitteessa, joka muuntaa analogiset signaalit (kuten radioaallot) digitaalisiksi signaaleiksi.

Uuden ratkaisun loivat professori Wood Chiang, Ph.D. opiskelija Eric Swindlehurst ja heidän kollegansa. Se kuluttaa 10 GHz:n ultralaajakaistaisella langattomassa viestinnässä vain 21 milliwattia tehoa; nykyiset ADC:t kuluttavat satoja milliwatteja tai jopa watteja tehoa vertailukelpoisilla nopeuksilla.

BYU:n valmistamalla ADC:llä on tällä hetkellä maailman paras energiatehokkuus eli ennätys merkittävällä marginaalilla.

Chiangin kaltaisten tutkijoiden keskeinen haaste on, että yhä suurempi kaistanleveys viestintäjärjestelmissä tarkoittaa piirejä, jotka kuluttavat enemmän virtaa. Chiang, Swindlehurst ja heidän tiiminsä pyrkivät ratkaisemaan ongelman keskittymällä ADC-piirin avainosaan eli digitaali-analogia muuntimeen.

He tekivät muuntimesta nopeamman ja tehokkaamman vähentämällä DAC:n kuormitusta skaalaamalla sekä kondensaattorin yhdensuuntaisen levyn alueen että etäisyyden. He myös ryhmittelivät yksikkökondensaattorit eri tavalla kuin tavanomaisesti, ryhmittelemällä yhteen kondensaattorit, jotka ovat osa samaa bittiä DAC:ssa, sen sijaan että ne olisivat lomitettuina läpikotaisin. Muutos laski pohjalevyn loiskapasitanssia kolminkertaisesti, mikä pienensi merkittävästi virrankulutusta ja lisäsi nopeutta.

Lopuksi he käyttivät Bootstrapped-kytkintä, mutta paransivat sitä tekemällä siitä kaksireittisen, jossa kukin polku voidaan optimoida itsenäisesti. Tämä menetelmä lisää nopeutta, mutta ei vaadi lisäpiirejä, koska siihen sisältyy olemassa olevien laitteiden jakaminen ja reitin muutosten tekeminen piirissä.

Tuloksena on 8-bittinen 10 GHz:n 8-kertaisesti aikalomitettu peräkkäis-approksimaatio rekisteri (SAR) -tyyppinen analogia-digitaalimuunnin (ADC). Se on valmistettu 28 nm:n CMOS-prosessissa ja ADC osoittaa 36,9 dB:n SNDR:n Nyquist kriteerillä. Kulutuslukema 21 milliwattia tarkoittaa 37 femtojoulea per konversioaskel.

Aiheesta aiemmin:

Fotoninen DA-muunninsiru

Käteviä ADC- ja DAC-muuntimia IoT-aikakaudelle