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新型的数模转换和模拟数字转换器可设计一个完全自动化的

科技 2020-05-07 11:25:42

绿色IC电子和计算机工程系的研究小组在新加坡国立大学(NUS)工学院的发明了一种新型的数模转换(DAC)和模拟数字转换器(ADC),完全可以设计一个完全自动化的数字设计方法,由于其全数字架构(图1)。

与传统的模拟结构和方法相比,这些新型传感器接口的设计周转时间从几个月减少到几个小时。设计工作的大幅减少对成本敏感的硅系统非常有利,比如物联网传感器。这种新型的数据转换器结构也具有非常低的复杂性,与传统的设计相比,它减少了硅的面积,从而降低了至少30倍的制造成本。

这样新颖的数据转换器也表现出前所未有的能力的优雅的退化信号保真度当电源电压或时钟频率经验广泛波动(图2)。这样的波动是常见的能源物联网传感器,是权力从周围的环境(例如,太阳能电池)是高度不稳定的。反过来,这使得即使在不利的收获功率条件下,也可以不间断地监测传感器信号,而且不需要电压调节。传统的数据转换器在电源电压低于其最小额定值Vmin(或频率超过其最大额定值)时,会出现灾难性的分辨率下降,如图2所示,因此需要耗电电路来调节电压和频率。

这项研究是与意大利都灵理工大学的副教授保罗·克罗维蒂合作进行的,得到了新加坡教育部和欧盟委员会的支持。

传感器接口更小,设计更简单,速度更快

“我们的研究改变了传统模拟和mostly-manual设计数据转换器到全自动的数字设计,降低一个数量级的硅区域和两个数量级的设计时,允许半导体企业成本竞争力而达到市场更快,”队长马西莫·Alioto副教授说,来自新加坡国立大学的电子和计算机工程系工学院。

他补充说,“由于是数字化的,我们的传感器接口可以毫不费力地跨制造技术和应用进行移植,并且可以嵌入数字电路中,从而避免传统的集成在同一块硅芯片上所需要的工作。”(图1)。

新加坡国立大学的研究小组用几块硅片演示了这一概念,用极低的面积实现了DACs和adc。例如,使用40nm标准CMOS技术制造的12位DAC的面积等于一根人类头发的直径。它对技术扩展的固有适应性使其在当前最精细的技术(7纳米)中实现时再缩小约32倍。

同时,新加坡国立大学的发明已被证明能够使数据转换器具有高分辨率(高达16位),同时实现设计的简单和紧凑。

该部门的访问研究员、团队成员Orazio Aiello博士说:“我们的团队引入了一种新的设计模式,让我们更接近廉价、技术可扩展和超紧凑的物联网设备的最终愿景。”

前所未有的健壮性在系统级带来了额外的好处

新加坡国立大学的创新进一步简化了集成系统的设计,利用前所未有的能力来承受非常大的电压和频率波动,从而降低了电压和频率产生的精度要求。

事实上,传统数据转换器操作电源电压低于其最低额定价值(或过度的时钟频率)灾难性的失败的经历,因此未能完成其预定功能(图2)。相反,创新发明的数据转换器的新加坡国立大学的团队表现出优雅降级决议和信号保真度,当电源电压或时钟频率超过其允许范围。例如,一个设计为1v的DAC被证明可以在这个电压的一半的情况下正确工作,而当电源电压降低0.3V时,它的分辨率只降低了1位。

阿利奥托教授说:“在电压和频率超调的情况下,有良好的分辨率退化的能力,这就抑制了对复杂电路解决方案的需求,这些解决方案能够精确地调节电源电压和数据转换器使用的时钟频率。”换句话说,我们的数据转换器设计起来更简单,同时也简化了他们所使用的系统。”

下一个步骤

该团队目前正在研究一种新的范式,将传统的模拟和设计密集型的硅子系统转换为由全自动设计流程支持的基于数字标准单元的设计,从而突破了传统的数字辅助设计的边界。本研究涉及几个基本的子系统,如放大器、振荡器、电压和电流参考等。

研究小组的目标是改变集成系统的设计方式,使整个系统的设计能够超高速、超小型和技术便携。

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