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ADC被人們比喻為模擬晶片中的「皇冠」，楊百翰大學近日發表的一項研究，讓它的效率提升了數倍。
在ADC晶片40多年的歷史中，其基本架構、設計和生產技術已經趨近於成熟，但在龐大的消費電子領域中，如此複雜而成熟的晶片有時也會成為機器性能的瓶頸。雖然在晶片領域之外的人較少關注，但ADC晶片技術含量較高，用途廣泛，從測量儀器、手機、HiFi耳機到5G通信基站中都存在不同種類的ADC，部分高端產品甚至受到美國商務部出口管控的限制。
當前，移動設備的升級換代速度比以往更快。每年，科技巨頭們都會製造出速度更快、功能更強大、電池續航時間更長的移動終端。蘋果、三星等公司之所以能奇蹟般地實現目標，主要是因為世界各地的工程人員不斷設計出更加節能的高速傳輸晶片。
來自美國楊百翰大學的研究者構建了世界上能效最高的高速模擬數字轉換器（A/D轉換器，簡稱ADC）。在大部分電子設備中，ADC是能將模擬信號轉換為數位訊號的電子元件，該轉換過程一般包括取樣、保持、量化、編碼4個過程。
這項研究由中國台灣的一些機構贊助，耗時四年，包括設計晶片的三年和測試晶片的一年。研究團隊包括國立陽明交通大學、加州大學洛杉磯分校的研究者，這篇論文在2021年2月發表在《IEEE固態電路》雜誌，Swindlehurst為論文的第一作者。
楊百翰大學電氣與計算機工程教授Wood Chiang、博士生Eric Swindlehurst和其他團隊成員創建的ADC，在10GHz的超寬頻無線通訊中僅消耗21毫瓦的功率，遠低於此前數百毫瓦或瓦級別的功率，創造了世界上ADC的最高能效紀錄。
Chiang教授說：「全球有很多團隊致力於ADC，這就像是一場以更快更省油為目標的造車競賽。打敗全球範圍內的對手很難，但我們做到了。」
Wood Chiang教授。
通信系統設備內越來越高的帶寬意味著電路將要消耗更高的功率，楊百翰大學的研究者著眼於ADC電路的關鍵部分DAC，代表了與ADC完全相反的核心部分：數字-模擬信號轉換器。
研究者通過調整電容器平行板的面積和間距來減少DAC的負載，使得轉換器更快、更高效。此外，研究者採用與傳統方式不同的方式對單元電容進行分組，將屬於DAC中同一比特位的單元電容分在一組，而不是將它們貫穿在一起。這一方法使得底板的寄生電容降低到三分之一，從而大大降低功耗且提高了速度。
ADC設計與時序圖。
最後，研究者使用了自舉開關，使其成為雙路徑，因此每個路徑可以獨立優化。這種方法在不需要額外硬體的前提下提高了速度，主要是拆分現有設備並更改電路中的路由。
實驗表明，該ADC採用28nm CMOS 工藝，在 Nyquist上工作時獲得了36.9 dB 的 SNDR，功率為21毫瓦，FoM 為37fj/conv-step，刷新了世界上的最低功耗紀錄。
楊百翰大學團隊打造的ADC晶片顯微圖像。
「我們證明了全新晶片技術的特殊能力，」Wood Chiang說道。「這項工作讓該領域向前推進了一大步，為消費者帶來諸多便利。由於它的存在，你的WiFi連接將會延遲更低，上傳下載帶寬更大，可以輕鬆觀看4K或8K的視頻，同時讓手機獲得更長的待機時間。」
Wood Chiang表示，ADC的應用範圍還包含自動駕駛汽車（需要很大的無線網絡帶寬），智能眼鏡等智能穿戴設備，以及可植入晶片等。
這種設備仍需要複雜的設計和驗證，以確保轉換器中的數千個連接都能夠正常運作。在設計過程中，每個錯誤可能要花費至少一年的時間來糾正，所幸研究團隊並沒有犯錯。
「這就像在構建一座小城市，項目其中包含大量細節，」Wood Chiang說道。「研究團隊完成了非常出色的工作，所有部分都完美地融合在一起，實現了這一工程壯舉。我對能在楊百翰大學和這些優秀的學生們共事而感到榮幸。」
參考內容：https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-05/byu-rcw052121.php
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