能量采集型模数转换器(eSampling ADC)：实现信号采集与能量回收的双赢技术

为解决传统模数转换器(ADC)高功耗问题，研究人员提出了一种创新的eSampling ADC架构，通过在采样保持(S/H)电路的保持阶段回收信号能量，实现了21.5%的能量回收率。该研究通过65 nm CMOS工艺设计8位40 MHz采样率电路，验证了在保证信号重建精度的同时实现能量自供给的可行性，为低功耗物联网设备提供了新解决方案。

　　

在数字化浪潮席卷全球的今天，模数转换器(ADC)作为连接物理世界与数字世界的桥梁，其性能直接影响着通信设备、医疗植入装置和物联网终端等关键应用的效能。然而，随着设备微型化和续航要求的提升，ADC的高功耗特性日益成为制约其发展的瓶颈。传统ADC在采样过程中会将大量信号能量白白浪费，特别是在采样保持(S/H)架构中，信号在保持阶段完全被丢弃——这就像用漏勺打水，既费力又浪费。

研究人员创新性地提出了eSampling ADC架构，巧妙地将这个"能源浪费期"转变为"能量收获期"。通过在传统S/H ADC的保持阶段引入能量回收电路，实现了"采样即供电"的革命性突破。这项研究发表在《Franklin Open》期刊上，为低功耗电子设备的设计开辟了新思路。

研究团队采用电路仿真与理论建模相结合的方法，通过Cadence Virtuoso平台构建65 nm CMOS工艺的8位eSampling ADC原型，采样率达40 MHz。关键技术包括：基于NMOS自举开关的双向采样电路设计、合并电容切换(MCS)型逐次逼近寄存器(SAR)量化架构，以及被动式能量回收电路优化。

系统模型验证

通过建立WSS(宽平稳随机过程)信号模型，研究人员推导出能量-保真度的量化关系公式。当采样率满足奈奎斯特条件时，eSampling ADC能完美重建信号(ζ=0)，同时实现21.5%的能量回收率。理论分析表明，对于平坦功率谱的19.8 MHz带限信号，8位量化下能耗比(E_ratio)可达0.47。

电路实现突破

实验电路采用PMOS/NMOS组合开关实现信号路径切换，其中NMOS自举开关将导通电阻(R_on)稳定在95.6 Ω。量化环节采用单位电容(C_u)=8.5 fF的MCS-DAC阵列，配合动态锁存比较器，总保持能耗仅3.44 pJ/样本。能量回收电路以50 pF电容(C_EH)储存能量，经0.372 μs充电后可输出660 mV电压。

应用验证

harvested能量成功驱动了标准运算放大器(op-amp)，在672-603 mV波动范围内仍保持60 dB增益和45°相位裕度。断开充电电路后，储存能量可持续供电7.29 μs，验证了其实用性。与传统ADC相比，eSampling ADC在相同工艺下实现了SNDR(信噪失真比)达75.52 dB的等效性能。

这项研究首次证明了ADC在完成信号采集任务的同时，还能作为微型能源供给单元。其创新价值体现在三方面：首先，通过重构S/H ADC的工作时序，开辟了"采样即供电"的新范式；其次，11.6%的能量转换效率(η)为后续优化设立基准；最重要的是，该架构与现有ADC工艺完全兼容，可直接应用于生物医学植入设备、环境监测传感器等对功耗极度敏感的领域。未来通过集成DC-DC转换器等模块，有望实现ADC的完全能量自给，推动边缘计算设备向"零功耗"目标迈进。