محول تماثلي إلى رقمي Flash‑SAR موفّر للطاقة مع هيكل فلاش من خطوتين في عملية CMOS بقطر 0.18 ميكرومتر

لماذا تهم الشرائح الأسرع والأوفر طاقة

في كل مرة يقوم هاتفك ببث فيديو، أو يتتبع مستشعر ذكي نبض قلبك، أو يستمع شريحة ذكاء اصطناعي إلى كلمة تنبيه، يجب على دوائر صغيرة ترجمة الإشارات الواقعية — فولتية وتيارات — إلى بتات رقمية. هذه المترجمات، المسماة محولات تماثلية‑إلى‑رقمية، كثيراً ما تحدد حدود مدى سرعة وكفاءة الأجهزة في رؤية وفهم العالم. يقدّم هذا البحث تصميم محول جديد يهدف إلى جمع البيانات بسرعة كبيرة مع استهلاك طاقة منخفض، وهو مزيج يمكن أن يفيد العديد من الأجهزة المتصلة، والأدوات الطبية، وأنظمة الذكاء الاصطناعي.

تحويل الموجات إلى أرقام

في صميم الإلكترونيات الحديثة تكمن مهمة بسيطة لكنها متطلبة: تحويل الموجات التماثلية السلسة إلى سلاسل واضحة من أصفار وواحدات. يهيمن نهجان كلاسيكيان على هذا المجال. أحدهما، المعروف بسرعته الفائقة، يقارن الإشارة الداخلة ضد مستويات ثابتة متعددة في آنٍ واحد، مثل قضاة يرفعون بطاقات تقييم دفعة واحدة؛ هذا يجعله سريعاً لكنه متعطش للطاقة ومساحة الشريحة. الآخر، الأكثر اقتصاداً، يعمل خطوة بخطوة، محدداً القيمة الصحيحة على عدة جولات؛ يستخدم هذه الطريقة معدات وطاقة أقل بكثير لكنه عادة لا يواكب الإشارات فائقة السرعة. تصميم محول يكون سريعاً وفعالاً في آنٍ واحد يتطلب مزج نقاط القوة في هذين العالمين.

طريق هجيني يختار الأفضل

العمل الموصوف في هذه الورقة يجمع بين النهجين في محول ثماني‑بت واحد يعمل بسرعة 100 مليون قياس في الثانية في عملية شريحة ناضجة. يستخدم الجزء الأمامي من الدارة مرحلة صغيرة وسريعة لالتقاط القيمة التقريبية للإشارة، بينما يستخدم الجزء الخلفي مرحلة خطوة‑بخطوة موفّرة للطاقة لتنقيح النتيجة. عبر تقسيم المهمة بهذه الطريقة، يتجنب التصميم مئات دوائر المقارنة المتصلة باستمرار بينما يظل مستجيباً للإشارات الواردة في لحظة واحدة. يتحكم توقيت دقيق في تمرير النتيجة التقريبية من المرحلة الأولى إلى الثانية وينسق سلسلة المقارنات دون إهدار دورات ساعة.

مكوّنات أذكى تحت الغطاء

لجعل المرحلة الأمامية السريعة مدمجة وفعالة، يستخدم المؤلف هيكل خطوة‑بخطوتين ذكي. بدلاً من مقارنة الدخل ضد ستة عشر مستوى دفعة واحدة، تقرر الدارة أولاً أي ربع واسع من النطاق تقع فيه الإشارة، ثم تكثّف المقارنة داخل تلك المنطقة الأصغر. هذه الحيلة تقلص عدد كتل المقارنة من ستة عشر إلى ستٍّ فقط. تُبنى تلك الكتل نفسها حول مُضخّم عاكس "عائم" لا يسحب تياراً ثابتاً، بل يستهلك الطاقة فقط أثناء لحظات قصيرة من العمل. يتيح التصميم حتى لخطوتي مقارنة أن تتشاركا نفس عناصر التخزين الداخلية، مما يقلص بصمة السيليكون أكثر دون إبطاء الأداء.

تنقيح دقيق مع استهلاك لطيف للطاقة

بعد معرفة القيمة التقريبية، تقوم المرحلة الثانية بأربع خطوات تنقيح سريعة باستخدام ترتيب من المكثفات التي تتأرجح حول مستوى فولتية مركزي. يقلّل هذا الأسلوب في التبديل من الطاقة المهدورة في كل مرة تُشحن أو تُفرغ فيها الدارة، وهي تكلفة رئيسية في العديد من المحولات. تعزّز كتلة مقارنة مصممة بعناية في هذه المرحلة فروق الفولتية الصغيرة على مرحلتين، مما يساعد على إبقاء الضوضاء والارتدادات غير المرغوبة تحت السيطرة مع البقاء سريع الاستجابة. تُظهر المحاكاة عبر ظروف تصنيع ودرجات حرارة ومقدّمات طاقة مختلفة أن الدارة تحافظ على دقتها جيداً، حتى عند تعرضها لضوضاء كهربائية عريضة النطاق.

ماذا تقول الأرقام عن التأثير في العالم الحقيقي

عند اختباره في نماذج حاسوبية مفصّلة، يصل المحول الجديد إلى دقة فعّالة قريبة من ثماني‑بت المثالية مع استهلاك طاقة يزيد قليلاً عن أربعة من آلاف الواط. بالمقارنة مع تصميمات سابقة مماثلة الحجم، يكسب تقريباً بتاً إضافياً من الدقة المفيدة مقارنة بمحولات سريعة تقليدية ويعمل أسرع بنحو 2500 مرة من تصميم يعتمد كلياً على النهج خطوة‑بخطوة في نفس العملية، وكل ذلك بينما يرفع درجة الكفاءة الإجمالية بما يقرب من عامل عشرة. بعبارات يومية، يعني هذا أن الراديوهات والمستشعرات ومسرّعات الذكاء الاصطناعي المستقبلية المبنية حول هذا النهج قد تلتقط إشارات أغنى وبسرعات أعلى دون استنزاف البطاريات بسرعة، مما يساعد الأجهزة الذكية على أن تصبح أكثر حدة واستدامة.

الاستشهاد: Xue, S. An energy-efficient Flash-SAR ADC with two-step flash structure in a 0.18 μm CMOS process. Sci Rep 16, 13677 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43435-6

الكلمات المفتاحية: محولات تماثلية إلى رقمية, إلكترونيات منخفضة الطاقة, دوائر إشارة مختلطة, إنترنت الأشياء, اكتساب بيانات عالي السرعة