De onderzoeksgroep Green IC van de afdeling Electrical and Computer Engineering aan de faculteit Engineering van de National University of Singapore (NUS) heeft een nieuwe klasse van digitaal-naar-analoog (DAC) en analoog-naar-digitaal converters (ADC) uitgevonden die volledig worden ontworpen met een volledig geautomatiseerde digitale ontwerpmethodologie, dankzij de volledig digitale architectuur (Fig. 1).

Vergeleken met traditionele analoge architecturen en methodologieën, de doorlooptijd van het ontwerp voor deze nieuwe sensorinterfaces is teruggebracht van maanden tot uren. De drastische vermindering van de ontwerpinspanning is zeer gunstig in kostengevoelige siliciumsystemen, zoals sensoren voor het Internet of Things (IoT). De nieuwe dataconverterarchitectuur heeft ook een zeer lage complexiteit, het siliciumoppervlak en dus de productiekosten met minstens 30 keer verminderen, vergeleken met conventionele ontwerpen.

Dergelijke nieuwe gegevensomzetters vertonen ook het ongekende vermogen om de signaalgetrouwheid gracieus te verslechteren wanneer de voedingsspanning of klokfrequentie grote fluctuaties ondervindt (figuur 2). Dergelijke fluctuaties komen vaak voor in energie-geoogste IoT-sensoren, zijnde dat de stroom die wordt geoogst uit de omgeving (bijv. zonnecel) is zeer grillig. Beurtelings, dit maakt ononderbroken bewaking van het sensorsignaal mogelijk, zelfs onder ongunstige geoogste stroomomstandigheden, en zonder spanningsregeling. In plaats daarvan, traditionele dataconverters lijden aan catastrofale resolutiedegradatie wanneer de voedingsspanning lager is dan de minimale nominale waarde Vmin (of de frequentie de maximale nominale waarde overschrijdt), zoals in Fig. 2, vandaar dat er stroomverslindende circuits nodig zijn voor spannings- en frequentieregeling.

Het onderzoek is uitgevoerd in samenwerking met universitair hoofddocent Paolo Crovetti van de Politecnico di Torino in Italië, en wordt ondersteund door het Singaporese Ministerie van Onderwijs en de EU-commissie.

Kleinere sensorinterfaces, eenvoudiger en sneller te ontwerpen

"Ons onderzoek transformeert het traditioneel analoge en grotendeels handmatige ontwerp van dataconverters in volledig geautomatiseerd digitaal ontwerp, vermindering van het siliciumoppervlak met een orde van grootte en de ontwerptijd met twee ordes van grootte, halfgeleiderbedrijven in staat stellen kostenconcurrerend te zijn en markten sneller te bereiken, " zei de teamleider universitair hoofddocent Massimo Alioto, die van de afdeling Electrical and Computer Engineering aan de NUS-faculteit Ingenieurswetenschappen is.

Hij voegde toe, "Digitaal zijn, onze sensorinterfaces worden moeiteloos overgezet naar productietechnologieën en -toepassingen, en kan worden ondergedompeld in digitale circuits om de traditionele inspanning te vermijden die vereist is voor hun integratie op dezelfde siliciumchip. "(Fig. 1).

Het NUS-team demonstreerde het concept door middel van verschillende siliciumchips die zowel DAC's als ADC's met een extreem laag oppervlak implementeerden. Als voorbeeld, een 12-bits DAC vervaardigd in 40nm standaard CMOS-technologie is gedemonstreerd met een oppervlakte gelijk aan de diameter van een haarlok. Zijn inherente ontvankelijkheid voor technologieschaling zorgt ervoor dat het nog ongeveer 32 keer krimpt wanneer het wordt geïmplementeerd in de momenteel beste technologie (7 nm).

Tegelijkertijd, het is aangetoond dat de NUS-uitvinding dataconverters met hoge resoluties mogelijk maakt (tot 16 bits), terwijl het ontwerp eenvoud en compactheid bereikt.

Teamlid Dr. Orazio Aiello, die een gastonderzoeker is bij de afdeling, zei, "Ons team heeft een nieuw ontwerpparadigma geïntroduceerd dat ons dichter bij de ultieme visie van goedkope, technologie-schaalbare en ultracompacte IoT-apparaten."

Ongekende robuustheid biedt extra voordelen op systeemniveau

De NUS-innovatie vereenvoudigt verder geïntegreerd systeemontwerp, gebruikmakend van het ongekende vermogen om zeer substantiële spannings- en frequentieschommelingen te weerstaan, waardoor de nauwkeurigheidseisen bij het genereren van spanning en frequentie worden versoepeld.

Inderdaad, conventionele dataconverters die werken op een voedingsspanning onder de minimale nominale waarde (of buitensporige klokfrequentie) ondervinden een catastrofale storing, en slaagt er daarom niet in om de beoogde functie uit te voeren (Fig. 2). Integendeel, de innovatieve dataconverters die door het NUS-team zijn uitgevonden, vertonen een sierlijke degradatie van de resolutie en signaalgetrouwheid wanneer de voedingsspanning of klokfrequentie het toegestane bereik overschrijdt. Als voorbeeld, een DAC ontworpen voor 1 V bleek correct te werken bij de helft van deze spanning, terwijl de resolutie met slechts 1 bit wordt verlaagd wanneer de voedingsspanning met een aanzienlijke 0,3V wordt verlaagd.

Assoc Prof Alioto zei:"Het vermogen om een ​​gracieuze resolutiedegradatie te hebben bij overschaling van spanning en frequentie, onderdrukt de behoefte aan complexe circuitoplossingen die nauwkeurig de voedingsspanning en de klokfrequentie regelen die worden gebruikt door dataconverters. Met andere woorden, onze dataconverters zijn eenvoudiger te ontwerpen, en vereenvoudigen ook het systeem waarin ze worden gebruikt."

Volgende stappen

Het team werkt momenteel aan een nieuw paradigma dat traditioneel analoge en ontwerpintensieve siliciumsubsystemen omzet in digitale standaard celgebaseerde ontwerpen die worden ondersteund door volledig geautomatiseerde ontwerpstromen. de grens verleggen van klassiek digitaal ondersteund ontwerp. Dit onderzoek omvat verschillende fundamentele subsystemen zoals versterkers, oscillatoren, spannings- en stroomreferenties, en vele anderen.

Het onderzoeksteam heeft tot doel de manier waarop geïntegreerde systemen worden ontworpen te transformeren, ultrasnelle, ultracompact en technologisch draagbaar ontwerp van complete systemen.