一种在0.18 μm CMOS工艺中具有两步闪速结构的节能Flash‑SAR ADC

为何更快且更省电的芯片重要

每当你的手机播放视频、智能传感器监测心率，或AI芯片等待唤醒词时，微小电路都必须把现实世界的信号——电压与电流——转换为数字位。这些转换器，称为模数转换器，常常决定设备感知与处理世界的速度与效率。本文提出了一种新的转换器设计，旨在高速抓取数据同时降低能耗，这种组合可能惠及众多互联设备、医疗器械与AI系统。

把波形变成数字

在现代电子学的核心，是一项简单却要求苛刻的任务：将平滑的模拟波形变成清晰的零一序列。有两种经典方法占主导。一种以极高速度著称，会把输入信号同时与许多固定电平比较，就像几十位裁判在同一瞬间举牌；这使其非常快，但耗电且占用更多芯片面积。另一种更节省的做法通过逐步逼近，在多轮中缩小正确值的范围；它使用的硬件和能量远少，但通常跟不上非常快的信号。要设计出既快又高效的转换器，就需要融合这两种方法的优点。

混合路径：取两者之长

本文所述工作将这两种方法结合为一款在成熟工艺中运行、采样率达每秒一亿次的八位转换器。电路前端使用一个小巧、快速的阶段获得信号的粗略值，而后端采用节能的逐次逼近阶段来精化结果。通过这样分工，设计避免了数百个持续工作的比较电路，同时仍能在一个瞬间对输入信号作出响应。精密的时序控制将前端的粗略结果传递给后端，并在不浪费时钟周期的情况下协调比较序列。

更聪明的基础模块

为使快速前端既紧凑又高效，作者采用了巧妙的两步结构。该电路并非一次性将输入与十六个电平比较，而是先判定信号位于哪个大致的四分区，然后再在更小的区间内放大比较。这个技巧把比较单元数量从十六个削减到六个。这些单元本身围绕一种“悬浮”反相器放大器构建，该放大器在静态时几乎不消耗电流，仅在短暂动作时刻拉取能量。设计甚至允许两个比较步骤共享同样的内部存储部件，进一步缩减硅片面积而不降低速度。

以温和能耗进行精细调校

在获得粗略值之后，第二阶段使用一组电容通过绕中心电压摆动的方式执行四次快速的细化步骤。这种开关方式降低了每次给电容充放电时的能量损耗，而那往往是许多转换器的主要开销。该阶段经过精心设计的比较单元以两步放大微小电压差，有助于在快速响应的同时抑制噪声和不希望的反冲。跨越不同制造条件、温度与供电电压的仿真显示，该电路在遭遇宽带电噪声干扰时也能较好地保持精度。

数字说明对现实影响的评估

在详细计算机模型测试中，这款新转换器在功耗仅略高于四毫瓦的情况下，实现了接近理想八位的有效精度。与同类规模的早期设计相比，它在传统的超高速转换器之上大约多出一位有用精度，并且比同一工艺下的纯逐次逼近设计快约2500倍，同时将整体效率指标提升了近十倍。从日常应用角度看，这意味着基于该方案的未来无线电、传感器与AI加速器可以在不显著增加电池消耗的情况下，以更高速度捕获更丰富的信号，帮助智能设备在性能与可持续性之间取得更好平衡。

引用: 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

关键词: 模数转换器, 低功耗电子学, 混合信号电路, 物联网, 高速数据采集