新加坡国立大学工程学院电气与计算机工程系的绿色IC研究小组发明了新型的数模(DAC)和模数转换器(ADC)，得益于其全数字化架构(图1)，它可以完全采用全自动数字化设计方法进行设计。
与传统的模拟体系结构和方法相比，这些新型传感器接口的设计周转时间从数月缩短至数小时。在成本敏感型硅系统(例如，用于物联网(IoT)的传感器)中，设计工作的大幅度减少是非常有益的。与传统设计相比，新颖的数据转换器架构还具有非常低的复杂度，从而减少了硅面积，从而将制造成本降低了至少30倍。
当电源电压或时钟频率波动较大时，这种新颖的数据转换器还具有前所未有的适度降低信号保真度的能力(图2)。此类波动在能量收集的IoT传感器中很常见，因为从周围环境(例如太阳能电池)收集的功率非常不稳定。进而，即使在不利的采集功率条件下，也可以在不进行电压调节的情况下连续监视传感器信号。相反，如图2所示，当电源电压低于其最小额定值Vmin(或频率超过其最大额定值)时，传统的数据转换器遭受灾难性的分辨率下降，因此需要耗电电路进行电压和频率调节。
这项研究是与意大利都灵理工大学的Paolo Crovetti副教授合作进行的，并得到了新加坡教育部和欧盟委员会的支持。
传感器接口更小，设计更简单，更快
“我们的研究将数据转换器的传统模拟和大多数手动设计转变为全自动数字设计，将硅面积减少了一个数量级，设计时间减少了两个数量级，从而使半导体公司在保持成本竞争力的同时，进入市场的速度更快。”研究小组负责人Massimo Alioto副教授说，他来自国大工程学院电气与计算机工程系。
NUS团队通过使用面积极小的DAC和ADC的多个硅芯片演示了这一概念。例如，已经证明以40nm标准CMOS技术制造的12位DAC的面积等于人发束的直径。其固有的技术扩展能力使它在当前最先进的技术(7纳米)中实现时又缩小了约32倍。
同时，已经显示了NUS发明能够实现具有高分辨率(最高16位)的数据转换器，同时实现了设计的简单性和紧凑性。
该部门的客座研究员Orazio Aiello博士说：“我们的团队引入了一种新的设计范例，使我们更加接近廉价，技术可扩展和超紧凑型IoT设备的最终愿景。”
前所未有的坚固性在系统级别带来了更多好处
NUS的创新进一步简化了集成系统的设计，利用了前所未有的能力来承受非常大的电压和频率波动，从而放宽了对电压和频率生成的精度要求。
实际上，以低于其最小额定值(或过大的时钟频率)的电源电压工作的常规数据转换器会遭受灾难性故障，因此无法执行其预期功能(图2)。相反，当电源电压或时钟频率超出其允许范围时，由NUS团队发明的创新型数据转换器表现出分辨率和信号保真度的适度下降。例如，一个设计用于1 V的DAC被证明可以在该电压的一半下正常工作，而当电源电压降低0.3V时，其分辨率仅降低1位。
Alioc副教授说：“在电压和频率超标情况下具有适度分辨率降低的能力，抑制了对复杂电路解决方案的需求，这些解决方案可以精确调节数据转换器使用的电源电压和时钟频率。换句话说，我们的数据转换器更简单进行设计，并简化使用它们的系统。”
下一步
该团队目前正在研究一种新颖的范例，该范例将传统的模拟和设计密集型硅子系统转变为基于数字标准单元的设计，并由全自动设计流程提供支持，从而突破了传统的数字辅助设计的边界。这项研究涉及几个基本子系统，例如放大器，振荡器，电压和电流基准以及许多其他子系统。
该研究团队旨在改变集成系统的设计方式，从而实现整个系统的超快速，超紧凑和技术便携式设计。