我一直對(duì)設(shè)計(jì)師在定義拓?fù)浜瓦x擇項(xiàng)目組件時(shí)所做的權(quán)衡很感興趣。畢竟，權(quán)衡是設(shè)計(jì)過(guò)程的核心，涉及一長(zhǎng)串與體積、重量、功率、成本、可靠性、生產(chǎn)、風(fēng)險(xiǎn)等目標(biāo)和約束。每種設(shè)計(jì)根據(jù)整體目標(biāo)和必備條件對(duì)這些屬性有不同的“權(quán)重”。

這就是為什么我們經(jīng)常在許多設(shè)計(jì)中看到“老舊零件”——可能是5年、15年甚至15年前的——尤其是在模擬和功率部分。當(dāng)使用新零件時(shí)出現(xiàn)不愉快意外的風(fēng)險(xiǎn)可能超過(guò)它們帶來(lái)的漸進(jìn)式改進(jìn)，而舊零件則是已知且穩(wěn)定的，這很合理。正如一位高級(jí)設(shè)計(jì)師跟我解釋的，這有點(diǎn)像90/10的規(guī)則，你只想用少數(shù)較新的“亮”零件（10%）和它們帶來(lái)的未知，90%的部分則選擇經(jīng)過(guò)時(shí)間考驗(yàn)的。

老舊組件在性能、特性、應(yīng)用支持和可用性方面都有良好記錄，因此通常更為穩(wěn)妥。相比之下，新型號(hào)可能提供更多功能和更好的性能，但可能存在隱藏的細(xì)節(jié)，只有在許多設(shè)備“投入現(xiàn)場(chǎng)”后才會(huì)顯現(xiàn)，且早期生產(chǎn)階段可能存在問(wèn)題。

當(dāng)然，風(fēng)險(xiǎn)最大的選擇是選擇定制設(shè)計(jì)的零件，以實(shí)現(xiàn)最高性能和最符合應(yīng)用目標(biāo)，前提是前期工程成本和時(shí)間不算過(guò)高。然而，這種選擇存在許多眾所周知的不確定性和風(fēng)險(xiǎn)。這是一種經(jīng)典的“制造還是購(gòu)買(mǎi)”決策。

那JWST呢？

因此，我對(duì)詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）于2021年12月在NASA、歐洲航天局（ESA）和加拿大航天局（CSA）合作項(xiàng)目中發(fā)射的諸多組成細(xì)節(jié)感到非常著迷。通過(guò)這些合作伙伴和其他渠道提供了大量?jī)?yōu)質(zhì)信息，包括其設(shè)計(jì)和組裝的照片，以及展示其多個(gè)子部分的高層次方塊圖，如圖1所示。

圖1。這張包含JWST眾多功能模塊的“大圖”框圖甚至無(wú)法開(kāi)始展示系統(tǒng)的實(shí)際復(fù)雜性，反而引入了許多陌生的縮寫(xiě)。（圖片來(lái)源：NASA)

看著系統(tǒng)、子系統(tǒng)、電路板以及各個(gè)電氣和機(jī)械部件——當(dāng)然，大多數(shù)都是完全或部分定制的——讓我驚嘆于這個(gè)項(xiàng)目是如何“整合起來(lái)”以取得如此驚心動(dòng)魄的成功。由于它位于太陽(yáng)-地球L2拉格朗日點(diǎn)附近的太空中，距離地球約150萬(wàn)公里（100萬(wàn)英里），這與地球軌道的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的情況截然不同，如果情況不佳，JWST將沒(méi)有第二次修復(fù)或調(diào)整任何東西的機(jī)會(huì)。

是的，預(yù)算超支數(shù)十億美元且晚了好幾年，但考慮到所有科學(xué)和技術(shù)未知，我不確定如何開(kāi)始為這類(lèi)項(xiàng)目制定預(yù)算和進(jìn)度，除非是一個(gè)非常粗略且至少有+100%不確定性的數(shù)字。

我特別想了解更多關(guān)于模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)，它能將各種圖像傳感器的輸出數(shù)字化。由于JWST需要設(shè)計(jì)和驗(yàn)證大量新零件，我原以為設(shè)計(jì)師會(huì)嘗試通過(guò)使用符合空間容量的ADC來(lái)減少這些功能。在我看來(lái)，選擇一個(gè)在生產(chǎn)和設(shè)計(jì)方面有“良好記錄”的品牌，這樣可以最大限度地減少風(fēng)險(xiǎn)和不確定性，是合理的選擇。

我完全錯(cuò)了。他們不僅使用了專(zhuān)為任務(wù)優(yōu)化的定制轉(zhuǎn)換器，其設(shè)計(jì)還是一個(gè)更大集成電路的一部分，執(zhí)行許多其他功能。它不是獨(dú)立的ADC，而是更大型集成電路SIDECAR ASIC（圖像數(shù)字化、增強(qiáng)、控制與檢索專(zhuān)用集成電路）的一部分，見(jiàn)圖2。

圖2。（左）：這張側(cè)掛ASIC的方框圖顯示，ADC只是整體集成電路的一小部分;（右側(cè)）安裝在PB板上的SIDECAR ASIC，并帶有連接器。（圖片來(lái)源：SPIE通過(guò)ResearchGate;歐洲航天局)

它像摩托車(chē)上的邊車(chē)一樣，靠近檢測(cè)器，以減少模擬信號(hào)的傳播距離，從而降低系統(tǒng)噪聲。使用SIDECAR的三臺(tái)儀器分別是近紅外相機(jī)（NIRCam）、近紅外光譜儀（NIRSpec）和精細(xì)制導(dǎo)傳感器（FGS）。

自定義ADC——以及更多

SIDECAR ASIC涉及許多人和組織。ADC子系統(tǒng)由Lewyn Consulting Incorporated（LCI）創(chuàng)始人Lanny Lewyn博士設(shè)計(jì)，他受命創(chuàng)建嵌入成像器ASIC中的36通道19位ADC陣列。36個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器陣列必須符合分配的IC寬度限制。功率限制為每個(gè)轉(zhuǎn)換器1.5毫瓦，速度為100千比特/秒，精度為16位±2.5 LSB積分非線性（INL）。它還需要滿(mǎn)足特殊的成像要求——±0.3 LSB差分非線性（DNL）。還需要10×的速度模式，但分辨率較低。

Lewyn博士采用了他為另一個(gè)ADC項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的無(wú)量綱設(shè)計(jì)方法，稱(chēng)為伽馬規(guī)則。這些無(wú)量綱布局設(shè)計(jì)規(guī)則可以移植到多個(gè)技術(shù)規(guī)模和代工廠，并且相比他在加州理工學(xué)院的導(dǎo)師Carver Mead創(chuàng)建的早期無(wú)量綱電路設(shè)計(jì)和布局方法（稱(chēng)為L(zhǎng)ambda規(guī)則）有了顯著改進(jìn)。（米德教授與林恩·康威合著的1978年經(jīng)典教材《VLSI系統(tǒng)導(dǎo)論》被廣泛認(rèn)為是VLSI革命的開(kāi)端者。）西門(mén)子的坦納EDA設(shè)計(jì)套件是主要設(shè)計(jì)工具，額外的設(shè)計(jì)和制造則由洛克希爾國(guó)際公司（現(xiàn)為T(mén)eledyne科學(xué)成像公司一部分）完成。

該設(shè)計(jì)采用逐次近似寄存器（SAR）架構(gòu)，最有效位（MSB）采用精密電容陣列，最低有效位（LSB）采用精密電阻分頻器，詳見(jiàn)圖3。為滿(mǎn)足DNL要求，采用了一種算法方法，將MSB電容的電壓開(kāi)關(guān)邊界與較低的LSB電阻完美匹配。此外，DNL要求僅規(guī)定隨機(jī)誤差為218,453分之一。

圖3。SIDECAR ASIC的布局為其眾多功能和房地產(chǎn)分配提供了更多見(jiàn)解。（圖片來(lái)源：SPIE通過(guò)ResearchGate)

由于需要低功耗作且信號(hào)非隨機(jī)性，使用傳統(tǒng)自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)校正小幅的A/D線性誤差不可行。通過(guò)結(jié)合Lewyn博士此前使用的多項(xiàng)心心算法，滿(mǎn)足了INL的要求。其中一種算法是完美定心算法，涉及元素的復(fù)制和旋轉(zhuǎn)，而非并排晶體管方法。

SIDECAR ASIC在智利、夏威夷及其他地點(diǎn)的多個(gè)地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡上進(jìn)行了基本性能評(píng)估，但這只是第一步。它還在NASA的低溫真空艙中進(jìn)行了測(cè)試，以評(píng)估在惡劣太空環(huán)境中的性能。

超越JWST

由于JWST不是機(jī)密項(xiàng)目，因此有許多優(yōu)質(zhì)參考資料和資源可供參考，涵蓋從宏觀概述到詳細(xì)技術(shù)討論。參與該項(xiàng)目的系統(tǒng)工程師和設(shè)計(jì)師顯然更傾向于采用SIDECAR方法，而非標(biāo)準(zhǔn)ADC，但他們也認(rèn)為這是滿(mǎn)足嚴(yán)格性能目標(biāo)的唯一途徑，而這些目標(biāo)受?chē)?yán)格約束。這是一個(gè)艱難的決定，但必須做出、測(cè)試、評(píng)估，并且超越了目標(biāo)。