Jak osiągnąć lepsze parametry pracy przetworników danych?

Przetworniki danych to kluczowe elementy w praktycznie wszystkich systemach elektronicznych. Pełnią funkcję mostu łączącego analogowy, fizyczny świat z układami cyfrowymi, wszechobecnymi w nowoczesnych zintegrowanych obwodach. Najważniejsze parametry, takie jak liniowość, przepustowość, a także efektywność energetyczna, wciąż są główną siłą napędową innowacji w tej dziedzinie, czego dowodzą przykłady przetworników zaprezentowanych podczas konferencji © ISSCC 2015. Pierwszy raz zaprezentowano przetwornik wykonany w 14 nm technologii FinFET. W tym modelu położono nacisk na zagęszczenie zintegrowanych układów FinFET, co pozwoliło na realizację odpornego na zakłócenia PVT (Process-Voltage-Temperature) przetwornika TDC (Time-to-Digital-Converter), zawierającego w sobie 214 elementów opóźniających. Wykres 1. Efektywność energetyczna przetworników ADC jako funkcja SNDR.

ISSCC (International Solid-State Circuit Conference) to jedno z najważniejszych cyklicznych wydarzeń Doliny Krzemowej. Corocznie odwiedza ją około 3.000 konstruktorów, a swoje osiągnięcia prezentują czołowe firmy naszej branży. Najbliższa edycja będzie miała miejsce od 31 stycznia do 4 lutego 2016, a swoje najnowsze prace przedstawią Intel, NCC, NXP, Xerox, Broadcom i dziesiątki innych.

Wykres 1. przedstawia efektywność energetyczną przetworników ADC wyrażoną jako moc rozpraszaną, zależną od efektywnej częstotliwości próbkowania Nyquista (P/fsnyq) w funkcji SNDR (Signal-To-Noise-and-Distortion). Dla przetworników o niskiej i średniej rozdzielczości, energia jest przede wszystkim zużywana na kwantyzację sygnału, a ogólna wydajność tej operacji jest zwykle przedstawiana poprzez energię zużytą na krok konwersji oraz krok kwantyzacji. Kropkowana linia stanowi punkt odniesienia, reprezentując przetworniki o wydajności 5fJ/krok konwersji. Przetworniki o wyższej rozdzielczości muszą radzić sobie z dodatkowym obciążeniem, w postaci zakłóceń pochodzących z układu, co wiąże się z koniecznością obrania innego punktu odniesienia, proporcjonalnego do kwadratu SNR (Signal-to-Noise-Ratio), zaznaczonego na wykresie linią ciągłą. Urządzenia prezentowane podczas konferencji zaznaczono kolorowymi figurami, reprezentującymi przetworniki o różnego rodzaju architekturach, natomiast urządzenia omawiane na konferencji w poprzednich latach są reprezentowane przez mniejsze znaczniki. Przetworniki Delta-Sigma, SAR oraz przetworniki potokowe o różnych wartościach parametru SNDR wciąż są ulepszane w kierunku wyższej efektywności energetycznej (zauważmy, że na wykresie niższe wartości parametru P/fsnyq reprezentują układy o większej wydajności). Wykres 2. Energia na krok konwersji jako funkcja częstotliwości próbkowania Nyquista. Wykres 2. pokazuje wartość energii na krok konwersji w zależności od częstotliwości próbkowania Nyquista. Ilustracja naświetla problem zachowania zadowalającej wydajności przy większej prędkości operacji. Niemniej jednak rozwój innowacji w układach, w postaci najnowszych, pionierskich technologii, poskutkował potrzebą obrania nowych punktów odniesienia w dziedzinie efektywności energetycznej. Wykres 3. Przepustowość jako funkcja SNDR. Wykres 3. przedstawia uzyskiwane przepustowości jako funkcję SNDR. Fluktuacje próbkowania (jitter) oraz zniekształcenia apertury sprawiają, że połączenie wysokiej rozdzielczości z wysoką przepustowością jest zadaniem niezwykle trudnym. W roku 2015 pośród wielu różnych zakresów wartości SNDR i różnych przepustowości, mogliśmy zobaczyć wiele przykładów osiągania bardzo dobrych wyników, jeśli chodzi o te parametry, osiąganych poprzez wykorzystywanie różnych odmian architektur przetworników. © ISSCC