Vor kurzem hat die Fachgruppe von Prof. Hu Cheng an der Integrated Circuit School der Universität für Wissenschaft und Technologie von China wichtige Fortschritte in der Forschung zu Hochgeschwindigkeits-VCO-basierten ADC-Chips erzielt. Das Team schlägt eine neue Architektur des modularen Wandlers (R-RVCO-basierter ADC) auf der Grundlage eines rückstellbaren Ring-Druck-Oszillators vor, der eine leistungsstarke Datenkonvertierung mit einer Probenabgabegeschwindigkeit von bis zu 2,5 GS/s ermöglicht, um die kritischen Engpässe der entsprechenden Architektur in Hochgeschwindigkeitsanwendungen zu überwinden. Die Forschungsergebnisse mit dem Titel „A 0.5–2.5-GS/s Resettable Ring-VCO-Based ADC Eliminating Quantization-Noise Shaping“ wurden im IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC) veröffentlicht.
Mit der rasanten Entwicklung der künstlichen Intelligenz (KI) und der ultraschnellen drahtlosen und kabelgebundenen Verbindungstechnologie wird die Nachfrage nach Hochgeschwindigkeits-Analog-Konvertern (ADCs) für die Signalverarbeitung in der Bandbreitenklasse GHz immer dringender. Gleichzeitig entwickeln sich fortschrittliche CMOS-Prozesse weiter in Richtung niedriger Spannung und hoher Integration, und herkömmliche ADC-Architekturen, die sich auf analoge Verstärker stützen, stehen vor großen Herausforderungen in Bezug auf Geschwindigkeit, Leistungsverbrauch und Prozessskalierbarkeit. Daher werden Modul-Nummer-Konverter (VCO-basierte ADC) mit hoher Digitalisierung, einfacher Struktur und guter Anpassung an fortschrittliche Prozesse zu einer wichtigen technischen Richtung für die Realisierung einer leistungsstarken Datenumwandlung. Seine Arbeitsfrequenz ist jedoch langfristig schwierig, den Engpässen der GHz-Klasse zu überwinden, was zu einem Schlüsselproblem wird, das die Weiterentwicklung dieser Architektur einschränkt.
Als Antwort auf die Probleme der Phasengeräusche-Integraleffekte und der quantifizierten Geräusche-Begrenzung, mit denen herkömmliche VCO-basierte ADCs unter Nyquist-Probenbedingungen konfrontiert sind, führte das Forschungsteam systematische Untersuchungen sowohl auf der Ebene der theoretischen Analyse als auch auf der Ebene des architektonischen Designs durch. Das Team erstellte ein einheitliches Verhaltensmodell und ein Rauschanalyserahmen, das eine äquivalente Modellierung und Rauschaleitung mehrerer VCO-basierter ADCs durchführte und die wichtigsten Engpässe aufdeckte, die die Steigerung der Probenahme von VCO-basierten ADCs behinderten. Entsprechend schlägt das Team eine diskrete Zeit-Öffnung R-RVCO-basierte ADC-Struktur vor, die durch die Einführung differenzieller Übertragungseigenschaften innerhalb des VCO den Phasengeräusche-Integraleffekt effektiv unterdrückt, ohne zusätzliche Differenzierer zu benötigen, während die quantifizierte Geräusche-Formierung innerhalb des Nyquist-Bands vermieden wird, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis um etwa 3 dB erhöht wird.
Darüber hinaus benötigt die Architektur kein digitales Differenzmodul, was die Toleranz und die allgemeine Robustheit des Systems gegenüber dem Trigger-Substabilitätszustand weiter verbessert. In Bezug auf die Realisierung der Schaltung hat das Team die adaptive Zurücksetzungstechnologie vorgeschlagen, um eine genaue Übereinstimmung zwischen der VCO-Zurücksetzungsspannung und der Oszillationsspannung zu erreichen; Gleichzeitig wurden die dynamischen Schalterpufferstrukturen und die Phasenfalttechnik in den Grobmassierern und den Kleinmassierern eingeführt, um die Phasenextraktionseffizienz zu verbessern und die Hardwarekosten effektiv zu senken. Der Chip basiert auf dem 22-nm-CMOS-Prozess und hat eine Kernfläche von nur 0,0022 mm und unterstützt einen Abtastgeschwindigkeitsbereich von 500 MS/s bis 2,5 GS/s. Bei einer Abtastrate von 2 GS/s erreichte das Messsignal-Rausch-Verzerrungsverhältnis (SNDR) 39,1 dB und der Walden-Energieeffizienzindikator (FoM_W) lag bei 31,3 fJ/conv.-step.
Der Doktorand der Fakultät für integrierte Schaltkreise, Lu Tao, ist der erste Autor der Dissertation und Hu Cheng Zhe ist der Autor der Kommunikation. Diese Forschungsarbeit wurde von dem Schlüssellabor für Wissenschaft und Technologie von integrierten Schaltkreisen in der Provinz Anhui unterstützt.
