数据转换器的新兴应用驱动技术创新

模拟电子学面向真实世界中各种连续可变的信号，包括：传感、模拟和数字/混合信号处理、数据转换、通信、计算和电源管理，涵盖多个维度。每个技术领域都涉及多种不同的技术，例如光学、光子学、MEM和传感器技术，这些技术与模拟/混合信号半导体问题紧密相关。2021年1月发布的SRC十年计划概述了模拟电子产品的新发展路线图。模拟组件对于物机接口、传感、感知和推理系统至关重要，物理世界的信息是模拟的，全球传感器数量指数级的增长正在创建大量的模拟输入。本文讲述模拟和混合信号电路与处理这一技术领域的数据转换器。

数据转换器（即模数转换器ADC和数模转换器DAC）在各种新兴应用中的作用将变得越来越重要。例如：用于边缘计算的智能传感、5G/6G 通信（包括有线、无线）、电机控制和雷达应用。为了满足这些应用的系统要求，未来几年对数据转换器的性能将提出更广泛的要求：更大的带宽、更高的吞吐量和更精细的分辨率。

满足这些性能水平需要在工艺技术、应用程序、系统级架构、数据转换器架构本身进行创新。工艺技术的进步通常会有所帮助，因为在大多数情况下，晶体管随着几何尺寸的缩小而变得更快，一些更针对模拟/混合信号应用的特定工艺（例如全耗尽型绝缘体硅(FDSOI) 和硅锗 (SiGe) BiCMOS）有显著的优势，包括改进的隔离度、严格控制的阈值电压以及高速双极晶体管。然而，对于针对高性能数字应用的CMOS技术（例如5nm CMOS），电源电压不断缩小，布局相关效应 (LDE) 变得更加普遍，实际上使得数据转换器的设计变得更加困难，这推动了系统和数据转换器架构层面的创新需求。

广泛的新兴应用驱动数据转换器的技术创新、提升性能。

用于在模拟域中进行更多信号处理的AMS计算技术，以及用于边缘处理的数据转换器架构，可实现高效和低延迟的传感到模拟到信息的功能。新兴应用的另一个例子是，在使用数百伏电压的电动汽车电池管理应用中精确感测低频/直流电流信号，此类应用需要专门的模拟前端处理技术和架构。

在中频范围（例如100KSPS至500MSPS），从高保真数字音频到 MRI和超声波等医疗应用，再到电机控制和安全（例如安全气囊控制）等汽车应用，也将需要性能的显著提高（例如成本、功耗、准确性、鲁棒性等），因为相关应用的容量和系统性能需求正在增加。由于许多此类应用除了抗干扰性和可靠性之外还需要高精度、低失真性能，因此以低成本和低功耗满足这些要求的数据转换器架构将变得越来越重要。对于汽车无线电接收器中从接收信号产生高保真音频的 ADC，无杂散动态范围 (SFDR) 是关键指标；诸如此类的要求 在医疗和安全应用领域变得更加重要，该应用领域新的数据转换器架构包括：人工智能、机器学习辅助、基于时间的混合SAR/流水线ADC等。

从 5G/6G 通信和高速串行链路到FMCW/PMCW汽车雷达和激光雷达也有极其广泛的新兴应用，它们都需要一种超高速/高带宽、高性能数据转换器。例如，对于6G小型蜂窝和客户端设备 (CPE) ，需要具有约10-b、10Gs/s 性能的ADC和DAC。鉴于该应用需要大量的信号处理，数据转换器必须在与信号处理相同的SOC上实现，这就提出了“分区”的关键问题。在许多情况下，不断改进的异构封装能力使得关键IP能够以该IP的最佳工艺技术进行开发，然后与其他最佳工艺的系统组件一起封装，以实现最佳的整体解决方案。但是，如上述6G小型蜂窝/CPE而言，在某些情况下必须采用数字处理技术来开发关键数据转换器，而这种技术对于混合信号电路性能来说绝对不是最佳的。

用于汽车雷达的数字调制雷达(DMR)（例如 PMCW）代表了另一个示例，其中必要的数字信号处理要求将数据转换器集成在同一芯片上。一方面，具有超高速和分辨率的ADC和DAC对优化工艺技术（例如 FDSOI或SiGe BiCMOS）很重要；另一方面，主要用于数字处理的工艺技术（例如5nm CMOS）也需要超高速和分辨率的ADC和DAC。当最佳工艺技术可用时，相当著名的架构，例如连续- 时间 Σ-Δ 或流水线 ADC，可以进行优化以满足应用需求；但随着应用需求的增加，特别是当必须使用非最佳工艺技术时，必须开发新的创新架构。

适用于超高速应用的新兴架构示例包括 Analog Devices 发布的连续时间流水线 ADC；基于环形放大器的架构（例如，流水线 ADC）已由俄勒冈州立大学和 IMEC 的研究人员发布；以及基于时间的 ADC 架构，例如加州大学圣地亚哥分校和德克萨斯 A&M 大学的研究人员发布的架构。时间交织技术正在不断发展，必须指出的是，在高速、高性能应用领域，对高性能时钟的需求同样至关重要。例如，上述用于 6G 小型蜂窝/CPE 使用案例的10-b、10Gs/s ADC将需要ADC采样电路的时钟有约 40fs rms 抖动，这不是一个简单的要求，并推动数据转换器和时钟 IP 开发人员之间的密切合作。

在FMCW雷达收发器中，最关键的规格之一是 SFDR，因为经过处理后，从目标接收到的信号在 ADC 输出中显示为杂散。ADC 本身生成的杂散必须明显低于任何目标的杂散，这一点至关重要。一旦数据转换器被验证可以在预期应用中工作，则可以使用其他品质因数 (FOM)（例如 Walden 或 Schreier FOM）来比较性能。

在无线通信（蜂窝）系统中，蜂窝数据转换器可以大致分为基站和用户设备（UE）。在这两种情况下，都希望用一个 ADC 或 DAC 覆盖整个频段，这应该是未来研究的重点。对于 ADC，这通常意味着几百MHz 的带宽，对于 DAC 来说大约是该带宽的 4 到 5 倍。由于通常采用 PA 预失真和/或包络跟，DAC 必须具有比通道更大的 BW。动态范围为中等要求，大约70-75dB/100MHz载波。低功耗和低成本（=小面积）对于所有UE情况至关重要，对于基站数据转换器也很重要。对于ADC转换器，趋势正在转向RF采样，这意味着RF信号由ADC直接采样。

随着无线电节点越来越小，数字逻辑的成本、面积、功率和速度与模拟同类产品相比有所提高。未来的研究可以研究如何利用数字的这种力量来改进数据转换器（通常称为带数字辅助的模拟）。示例包括 DAC 内部的图像消除，这将避免在 DAC 之后进行昂贵的外部滤波，以及 ADC 的数字校准，以使其更好地容忍组件不匹配（例如 SAR 电容器阵列中的不匹配）。一般来说，蜂窝 ADC 的关键指标不是 SNDR，而是 ADC 在存在带外干扰信号的情况下处理带内载波的能力。同样，DAC 的目标通常是生成良好的带内信号，同时产生最少量的带外（即 RX 频带）噪声。

未来几年将需要具有极其广泛性能的数据转换器来满足新兴应用的广泛系统要求。采用 5nm 以下以数字为中心的 CMOS 技术设计的数据转换器将面临更普遍的布局相关效应 (LDE)，使高性能数据转换器设计更具挑战性，这将需要系统和数据转换器进一步“数字化”和创新架构。6G和其他高级处理系统将需要高分辨率（>10 位）和至少10GS/s 的性能。鉴于需要大量的信号处理，数据转换器将需要以相同的数字技术来实现，甚至可能集成一些数字前端信号处理任务。

数据转换器的最终性能指标取决于其适合的用途,采用高速ADC或是高精度ADC取决于应用场景的需求。所有应用最为重要的度量标准是开发的技术（器件、电路、架构）是否能够在制程、电压和温度等变化情况下以高产率，并且长期稳定地运行。

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