高速ADC電路的低功耗設計與優化技術

作者簡介：梁亮（1990— ），男，工程師，碩士；研究方向：衛星導航。

摘要：在當今信息時代，高速模數轉換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）在數字信號處理系統中扮演著至關重要的角色，其性能直接關系到系統的整體性能和功耗。文章研究了高速ADC電路的低功耗設計和優化問題，提出了一種在電路中通過降低靜態功耗和動態功耗來實現低功耗目標的設計方法。該方法具體包括電源管理的優化、低功耗器件的采用和時鐘分布的優化等技術手段。這種方法有效降低了電力消耗，同時提高了ADC性能，具有一定的實用意義。

關鍵詞：高速ADC；低功耗設計；優化技術；電路結構；功耗優化

中圖分類號：TN79" 文獻標志碼：A

0" 引言

隨著通信、雷達、醫療影像等領域對高速、高精度ADC的需求不斷增加，傳統的高功耗設計已經難以滿足需求，如何在保證ADC性能的同時降低功耗成了一個迫切需要解決的問題。傳統的高速ADC電路在達到高性能的同時往往伴隨著較高的功耗，這主要源于電路結構的復雜性、器件的選取以及時鐘頻率的提升等因素。在實際應用中，高功耗不僅會導致設備的發熱問題，也會限制設備的使用時間和便攜性。因此，研究如何有效降低高速ADC電路的功耗，具有十分重要的實際意義。

1" 功耗問題與影響因素分析

1.1" 高速ADC電路中存在的功耗問題

高速ADC電路作為模擬信號到數字信號的轉換器，可以實現對信號進行高速、高精度的轉換。靜態功耗是高速ADC電路中不可忽視的問題之一。靜態功耗主要來自器件的漏電流和電路中的固定功耗。即使在沒有輸入信號的情況下，電路也需要消耗一定的能量［1］。隨著制程工藝的不斷進步，器件的尺寸不斷縮小，漏電流問題日益凸顯，成了限制功耗的重要因素。

動態功耗也是高速ADC電路中不可忽視的一部分。動態功耗主要來自電路中的開關活動和信號傳輸過程中的充電和放電過程。在高速ADC電路中，頻繁的信號采樣與時鐘信號切換等都會導致動態功耗的增加，時鐘信號的頻率提高也會直接導致動態功耗的增加。

1.2" 影響功耗的因素分析

影響高速ADC電路功耗的因素眾多，其中包括電路結構、器件選擇、電源管理以及時鐘分配等方面。

電路結構的設計：在傳統的高速ADC電路中，采用的是并行結構或者串行結構，這種結構通常需要大量的電路元件以及復雜的電路布線，從而導致較高的功耗。

器件的選擇：在高速ADC電路中，模擬部分通常采用互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS）技術實現。不同的器件類型具有不同的特性，對功耗的影響也不同。

電源管理：合理的電源管理方案可以有效降低電路的靜態功耗和動態功耗，從而達到降低功耗的目的。

時鐘分配策略：時鐘信號在高速ADC電路中起著同步和驅動的作用，過多的時鐘信號或者不合理的時鐘分配方案會導致功耗增加。

2" 低功耗設計與優化的技術

2.1" 基于功耗優化的設計方法介紹

在解決高速ADC電路功耗問題的過程中，基于功耗優化的設計方法顯得尤為重要。一種常見的方法是采用深亞微米工藝，通過降低晶體管的尺寸來減小漏電流，減少靜態功耗。同時，采用適當的電源管理方案也可以有效降低靜態功耗。

在電路結構上，采用節能的邏輯電路設計和時序電路設計，使開關活動減少，從而可以使動態功率消耗減少。另外，異步時序設計能夠動態地根據需要對時鐘頻率進行調整，從而減少動態功耗。在時鐘設計上，也可以通過對時鐘進行合理的分配策略來減少動力消耗。

2.2" 降低靜態功耗的技術手段

降低靜態功耗常用的技術手段是采用深亞微米工藝。這種工藝可以顯著減小晶體管的尺寸，從而降低晶體管的漏電流和靜態功耗。根據金屬氧化物半導體場效應晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）漏電流的經典估算公式：

ID=ID0（eVGS-VTnVT-1）

其中，ID是漏電流，ID0是飽和漏電流，VGS是柵極-源極電壓，VT是熱壓降，n是取決于襯底類型和工藝的參數［2］。

降低靜態功耗也采用低閾值電壓技術。這種技術可以通過調整晶體管的閾值電壓，使得晶體管在相同的柵極-源極電壓下工作，從而降低靜態功耗。低閾值電壓技術的實現通常需要在工藝上進行特殊設計，例如：選擇合適的襯底類型和摻雜濃度，采用特殊的柵極材料和結構設計。

適當的電源管理方案也可以有效降低靜態功耗。例如：多電壓域設計可以將不同功能模塊的電路分別接入不同的電源域，根據實際需求靈活調整供電電壓，以達到最佳的功耗效果。

2.3" 降低動態功耗的技術手段

降低動態功耗常用的技術手段是采用節能的邏輯電路設計和時序電路設計。邏輯電路設計中常用的節能技術包括多閾值邏輯（Multiple Threshold Voltage，MTV）和逆變器鏈邏輯（Inverter Chain Logic，INV）。MTV技術可以通過調整晶體管的閾值電壓，使得晶體管在不同的邏輯狀態下具有不同的閾值電壓，從而降低開關功耗。INV技術可以通過串聯多個反相器來減小電路的時延，降低功耗。時序電路設計中常用的節能技術包括異步時序設計和時鐘門控技術。異步時序設計可以根據需要動態調整時鐘頻率，避免不必要的時鐘信號，從而降低功耗。時鐘門控技術可以根據需要動態打開或關閉時鐘信號，避免不必要的時鐘開銷，從而進一步降低功耗。在時鐘設計上，也可以通過對時鐘進行合理的分配來減少動力消耗。例如：將時鐘信號限制在需要的功能模塊內部，縮短時鐘信號的傳輸路徑，降低電力消耗。

除此之外，優化電路結構也是降低動態功耗的重要手段之一。例如：采用深層級邏輯電路來減少電路的延遲，從而降低功耗；深層級邏輯電路還可以通過增加級數來減小邏輯門的輸入負載，提高電路的工作速度，從而降低功耗。

3" 技術實現與驗證

3.1" 電源管理優化的實現方式

電源管理的優化主要包括電源架構設計、節能電源管理單元（Power Management Uni，PMU）、動態電壓調節等方面。電源管理的優化在高速ADC電路設計中扮演著至關重要的角色，其優化實現方式涉及方方面面。本文采用了多電壓域設計的電源架構設計。多電壓域設計將電路分成多個功能模塊，針對各功能模塊的工作狀態，分別提供獨立的電源域。該方法通過對供電電壓進行動態調整，從而達到最佳的功耗效果［3］。比如將模擬部分和數字部分分別接入不同的電源域，根據實際需要對供電電壓進行靈活調整，能夠有效減少電力消耗。

PMU是一種專門用于管理和優化電源供應的集成電路，可以根據系統的實際功耗需求動態調整電源的輸出電壓和電流，以實現最佳的功耗效果。例如：PMU通過采用高效的開關電源轉換器和智能功率管理算法，可以在不影響系統性能的前提下降低電源供應的功耗。

動態電壓調節技術可以根據不同的電路狀態動態調整供電電壓，使功耗達到最優的降低程度。例如：采用動態電壓調節器來調整供電電壓，以滿足特定的負載需求而降低最大功耗；動態電壓調節器可以根據負載的電流波形和工作頻率實時調整輸出電壓，以滿足不同工作負載下的功耗需求，從而實現電源管理的優化。

3.2" 采用低功耗器件的技術實現

在高速ADC電路設計中，對低功耗器件的選擇和設計至關重要。其中，常用的低功耗器件是低閾值電壓MOSFET。低閾值電壓MOSFET通過降低晶體管的閾值電壓，可以實現可控的導通狀態，在更低的柵源極電壓下，降低靜態功耗。這是因為晶體管的漏電流與柵極-源極電壓之間是指數關系，所以漏電流即使是很小的降低閾值電壓也可以得到明顯的降低［4］。低閾值電壓MOSFET在動態功耗方面的開啟電壓更低，可以在更短的時間內降低開關時間，降低功耗。

深亞微米CMOS器件是另一種常用的低功耗器件，相對于傳統的CMOS器件具有更小的晶體管尺寸和更低的漏電流。由于晶體管尺寸的減小，導致通道長度縮短和電場的增強。因此，深亞微米CMOS器件具有更高的載流子遷移率和更低的漏電流，從而功耗更低。

3.3" 時鐘分配優化的具體方法

時鐘分配對低功耗高速ADC電路設計起著至關重要的作用。時鐘分配需要采用合理的時鐘分配優化方法，以實現功耗最小化和性能最大化。其中，局部時鐘網設計是常用的方法之一。局部時鐘網設計是將時鐘信號限制在需要的功能模塊內部，縮短時鐘信號的傳輸路徑，從而減少功耗的一種基于功能模塊的時鐘分配方法。具體而言，時鐘信號可以從全局時鐘網中分離出來，形成一個局部的時鐘網，每個功能模塊都有各自獨立的時鐘信號，這樣就避免了時鐘信號經過較長距離的傳遞路線，減少了傳輸延遲，減少了時鐘信號的耗電量。

時鐘分配優化常用的方法還有時鐘門控制技術。時鐘門控技術可以根據需要對時鐘信號進行動態開啟或關閉，從而減少電力消耗。具體而言，時鐘信號的傳輸和接收可以由時鐘控制器控制（例如：傳送門、鎖存器等）在需要時使用，使得時鐘信號只在需要的功能模塊中開啟，而其他功能模塊則將時鐘信號關閉［5］。這樣就能有效降低時鐘信號的不必要傳輸，減少耗電量。

另一種常用的低功耗器件是絕緣體上硅（Silicon-on-Insulator，SOI）器件。SOI器件采用了絕緣層隔離技術，將一層絕緣層加到了晶體管的基底和襯底之間，能夠有效減少串擾，減少晶體管之間的相互電容效應，從而降低了電力消耗。

量子點器件是一種利用納米尺度下量子效應的特殊性質的新型低功耗器件。由于量子點的限制效應，載流子在三維空間中受到限制運動，減少了載流子的散射和漏電流。因此，量子點器件具有更高的載流子遷移率和更低的漏電流。

3.4" 實驗驗證與結果分析

實驗選取了一款高速ADC電路作為研究對象，設計了2種不同的時鐘分配方案進行比較。一種是基于全局時鐘網的傳統設計方案，另一種是采用局部時鐘網設計的優化方案。在實驗中，保持其他設計參數不變，只改變時鐘分配方案，分別記錄2種方案下電路的功耗數據。

實驗得出，采用局部時鐘網設計的優化方案相比傳統的全局時鐘網設計方案，可以顯著降低高速ADC電路的功耗。實驗結果表明，采用局部時鐘網設計的優化方案平均功耗降低了約 25%。實驗數據的重復性較好，不同實驗編號下相同方案的功耗數據波動較小，表明所得結果具有較高的可信度。傳統全局時鐘網設計方案下的功耗略有波動，而采用局部時鐘網設計的優化方案下的功耗波動較小，說明優化方案具有較好的穩定性。

4" 結語

本文綜合分析了高速ADC電路中存在的功耗問題，探討了影響功耗的因素以及降低靜態功耗和動態功耗的具體技術手段。在此基礎上，文章進一步介紹了電源管理優化、低功耗器件應用、時鐘分配優化等實現方式。本研究通過實驗驗證與結果分析，得出了采用局部時鐘網設計的優化方案相比傳統的全局時鐘網設計方案，可以顯著降低高速ADC電路的功耗的結論。這一結論為高速ADC電路的低功耗設計提供了重要指導，有望在實際應用中提高電路性能，降低功耗，促進技術進步和應用推廣。

參考文獻

［1］張琳，豈飛濤，劉濤，等.高速模數轉換器的關鍵測量技術［J］.微電子學，2022（2）： 334-338.

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［3］童燦.采用高速采樣保持電路結構的InP ADC的研究與設計［D］.成都：電子科技大學， 2021.

［4］孔慶亮.高速ADC電路設計及布局布線分析［J］.工業控制計算機， 2019（12）： 93-94.

［5］劉勇聰，王建業，連振.高速ADC中具有失調對消的采樣保持電路設計［J］.火力與指揮控制， 2018（4）： 174-177.

（編輯" 王永超）

Low power design and optimization technology of high speed ADC circuit

LIANG" Liang

（China Communication System Co.， Ltd.， Hebei Branch， Shijiazhuang 050081， China）

Abstract：" In today’s information age， high speed Analog-to-Digital Converter （ADC） plays a vital role in digital signal processing system， and its performance is directly related to the overall performance and power consumption of the system. In this paper， the low power design and optimization of high speed ADC circuit are studied， and a design method to achieve low power consumption by reducing static power consumption and dynamic power consumption in the circuit is proposed. This method includes the optimization of power management， the adoption of low-power devices and the optimization of clock distribution. This method effectively reduces power consumption and improves the performance of ADC， which has certain practical significance.

Key words： high speed ADC; low power design; optimization technology; circuit structure; power optimization