芯片工程師，是時(shí)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(shí)候顛覆75 年的電路設(shè)計(jì)實(shí)踐，放棄放大器（Amplifiers）了。

放大器是電子電路設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵構(gòu)建模塊。每當(dāng)系統(tǒng)有一個(gè)小的輸入信號(hào)時(shí)，我們的巴甫洛夫反應(yīng)就是放大它以進(jìn)行進(jìn)一步處理。放大信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)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(shí)際的信號(hào)處理是在數(shù)字域中完成的，因此小輸入信號(hào)會(huì)被放大、濾波并進(jìn)一步放大以驅(qū)動(dòng)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(jìn)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(gè)巨大的放大器來驅(qū)動(dòng)它們，這比轉(zhuǎn)換器本身消耗的功率高一個(gè)數(shù)量級(jí)。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(gè)意義上來說，ADC就是一個(gè)被寵壞的孩子。

如果我們將系統(tǒng)的小輸入信號(hào)直接放入 ADC 中會(huì)怎樣？ADC 將具有微小的輸入信號(hào)，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(dú)立使用，這不是一個(gè)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?yàn)槲覀児?jié)省了整個(gè)放大器和濾波器鏈，否則它們會(huì)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(shí)鐘放大器，它比較兩個(gè)輸入信號(hào)，并在其中一個(gè)輸入大于另一個(gè)輸入時(shí)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(gè)向信號(hào)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(jìn)行比較是很有趣的。

假設(shè)我們進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，并將基本差分放大器與在相同噪聲和信號(hào)帶寬限制下運(yùn)行的比較器進(jìn)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(jí)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(hào)并驅(qū)動(dòng)其負(fù)載。因此，對(duì)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(gè)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(shí)有道理。如果我們認(rèn)識(shí)到在現(xiàn)代 CMOS 中，電源電壓已經(jīng)低于 0.8 伏，并且還在進(jìn)一步降低，這一點(diǎn)就特別有意義。因此，制造放大器變得越來越困難，因?yàn)槲覀冃枰獙⑺芯w管壓縮在低壓屋頂下。所以，讓我們忘記放大器吧！

第一個(gè) LNADC 原型不會(huì)擊敗最先進(jìn)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(huì)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(xiǎn)，沒有收獲！

來源：半導(dǎo)體芯聞

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