芯片工程師，是時候放棄放大器了？

荷蘭恩斯赫德特溫特大學(xué)Bram Nauta在早前表示，我們是時候顛覆75 年的電路設(shè)計實踐，放棄放大器（Amplifiers）了。

放大器是電子電路設(shè)計中的關(guān)鍵構(gòu)建模塊。每當(dāng)系統(tǒng)有一個小的輸入信號時，我們的巴甫洛夫反應(yīng)就是放大它以進行進一步處理。放大信號的優(yōu)點是允許后續(xù)塊具有更高的噪聲，因此需要更少的功率。如今，實際的信號處理是在數(shù)字域中完成的，因此小輸入信號會被放大、濾波并進一步放大以驅(qū)動模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。

這些 ADC 通過遵循將功耗與信噪比和轉(zhuǎn)換器帶寬相關(guān)聯(lián)的品質(zhì)因數(shù)進行了優(yōu)化。具有最佳品質(zhì)因數(shù)的 ADC 具有巨大的輸入擺幅，通常與電源一樣大甚至更大。結(jié)果是它們具有極低的功耗，但需要一個巨大的放大器來驅(qū)動它們，這比轉(zhuǎn)換器本身消耗的功率高一個數(shù)量級。如果我們從系統(tǒng)層面來看，ADC 之前的電路功耗為毫瓦，而轉(zhuǎn)換器本身僅需要微瓦。從這個意義上來說，ADC就是一個被寵壞的孩子。

如果我們將系統(tǒng)的小輸入信號直接放入 ADC 中會怎樣？ADC 將具有微小的輸入信號，并且本身需要低噪聲，而其功耗將在毫瓦范圍內(nèi)！這將導(dǎo)致可怕的品質(zhì)因數(shù)——如果您想出售 ADC 供獨立使用，這不是一個有吸引力的情況。然而，從系統(tǒng)的角度來看，這可能是有意義的，因為我們節(jié)省了整個放大器和濾波器鏈，否則它們會消耗同樣的毫瓦功率。

在 ADC 中，決策是通過比較器做出的。比較器是一種時鐘放大器，它比較兩個輸入信號，并在其中一個輸入大于另一個輸入時給出 1 或 0 的數(shù)字輸出。如果我們移除 ADC 之前的所有放大（或增益），比較器將成為第一個向信號添加噪聲的有源電路。因此，將 ADC 中的比較器的噪聲與放大器的噪聲進行比較是很有趣的。

假設(shè)我們進行數(shù)學(xué)計算，并將基本差分放大器與在相同噪聲和信號帶寬限制下運行的比較器進行比較。在這種情況下，我們可以看到比較器或放大器的輸入級的功率和耗散精確相等。然而，比較器只需要數(shù)字輸出1或0，這在低功耗下很容易做到，而放大器仍然需要產(chǎn)生線性輸出信號并驅(qū)動其負(fù)載。因此，對于給定的噪聲和帶寬，系統(tǒng)輸入端的放大器比相同位置的比較器消耗更多的功率。

所以，讓我們擺脫這些放大器。不再有收獲！讓我們移除低噪聲放大器 (LNA)，并用低噪聲模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (LNADC) 替換它們。讓這個被寵壞的孩子去工作吧！

與晶體管發(fā)明以來 75 年來我們一直在做的事情相比，這是一種顛覆性的方法。不過，這確實有道理。如果我們認(rèn)識到在現(xiàn)代 CMOS 中，電源電壓已經(jīng)低于 0.8 伏，并且還在進一步降低，這一點就特別有意義。因此，制造放大器變得越來越困難，因為我們需要將所有晶體管壓縮在低壓屋頂下。所以，讓我們忘記放大器吧！

第一個 LNADC 原型不會擊敗最先進的技術(shù)，而且它們的品質(zhì)因數(shù)將很糟糕。但讓我們嘗試一些不同的東西，從長遠(yuǎn)來看，這可能會讓我們走得更遠(yuǎn)。至少，它是新的東西，探索總是很有趣的。所以，讓我們?nèi)コ袚?dān)高風(fēng)險，沒有收獲！

來源：半導(dǎo)體芯聞

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