芯片工程师，是时候放弃放大器了？

荷兰恩斯赫德特温特大学Bram Nauta在早前表示，我们是时候颠覆75 年的电路设计实践，放弃放大器（Amplifiers）了。

放大器是电子电路设计中的关键构建模块。每当系统有一个小的输入信号时，我们的巴甫洛夫反应就是放大它以进行进一步处理。放大信号的优点是允许后续块具有更高的噪声，因此需要更少的功率。如今，实际的信号处理是在数字域中完成的，因此小输入信号会被放大、滤波并进一步放大以驱动模数转换器 (ADC)。

这些 ADC 通过遵循将功耗与信噪比和转换器带宽相关联的品质因数进行了优化。具有最佳品质因数的 ADC 具有巨大的输入摆幅，通常与电源一样大甚至更大。结果是它们具有极低的功耗，但需要一个巨大的放大器来驱动它们，这比转换器本身消耗的功率高一个数量级。如果我们从系统层面来看，ADC 之前的电路功耗为毫瓦，而转换器本身仅需要微瓦。从这个意义上来说，ADC就是一个被宠坏的孩子。

如果我们将系统的小输入信号直接放入 ADC 中会怎样？ADC 将具有微小的输入信号，并且本身需要低噪声，而其功耗将在毫瓦范围内！这将导致可怕的品质因数——如果您想出售 ADC 供独立使用，这不是一个有吸引力的情况。然而，从系统的角度来看，这可能是有意义的，因为我们节省了整个放大器和滤波器链，否则它们会消耗同样的毫瓦功率。

在 ADC 中，决策是通过比较器做出的。比较器是一种时钟放大器，它比较两个输入信号，并在其中一个输入大于另一个输入时给出 1 或 0 的数字输出。如果我们移除 ADC 之前的所有放大（或增益），比较器将成为第一个向信号添加噪声的有源电路。因此，将 ADC 中的比较器的噪声与放大器的噪声进行比较是很有趣的。

假设我们进行数学计算，并将基本差分放大器与在相同噪声和信号带宽限制下运行的比较器进行比较。在这种情况下，我们可以看到比较器或放大器的输入级的功率和耗散精确相等。然而，比较器只需要数字输出1或0，这在低功耗下很容易做到，而放大器仍然需要产生线性输出信号并驱动其负载。因此，对于给定的噪声和带宽，系统输入端的放大器比相同位置的比较器消耗更多的功率。

所以，让我们摆脱这些放大器。不再有收获！让我们移除低噪声放大器 (LNA)，并用低噪声模数转换器 (LNADC) 替换它们。让这个被宠坏的孩子去工作吧！

与晶体管发明以来 75 年来我们一直在做的事情相比，这是一种颠覆性的方法。不过，这确实有道理。如果我们认识到在现代 CMOS 中，电源电压已经低于 0.8 伏，并且还在进一步降低，这一点就特别有意义。因此，制造放大器变得越来越困难，因为我们需要将所有晶体管压缩在低压屋顶下。所以，让我们忘记放大器吧！

第一个 LNADC 原型不会击败最先进的技术，而且它们的品质因数将很糟糕。但让我们尝试一些不同的东西，从长远来看，这可能会让我们走得更远。至少，它是新的东西，探索总是很有趣的。所以，让我们去承担高风险，没有收获！

来源：半导体芯闻

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