Jump to content

Интегральная схема смешанных сигналов

Интегральная схема смешанного сигнала: металлические области с правой стороны представляют собой конденсаторы, поверх которых расположены большие выходные транзисторы; левая часть занята цифровой логикой

Интегральная схема смешанного сигнала — это любая интегральная схема , которая имеет как аналоговые , так и цифровые схемы на одном полупроводниковом кристалле . [1] [2] [3] [4] Их использование резко возросло с увеличением использования сотовых телефонов , телекоммуникаций , портативной электроники и автомобилей с электроникой и цифровыми датчиками .

Интегральные схемы (ИС) обычно классифицируются как цифровые (например, микропроцессор ) или аналоговые (например, операционный усилитель ). Микросхемы смешанных сигналов содержат как цифровую, так и аналоговую схему на одном кристалле, а иногда и встроенное программное обеспечение . Микросхемы смешанных сигналов обрабатывают одновременно аналоговые и цифровые сигналы. Например, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) представляет собой типичную схему смешанных сигналов.

ИС смешанных сигналов часто используются для преобразования аналоговых сигналов в цифровые, чтобы цифровые устройства могли их обрабатывать. Например, микросхемы смешанного сигнала являются важными компонентами FM-тюнеров в цифровых продуктах, таких как медиаплееры, которые имеют цифровые усилители. Любой аналоговый сигнал можно оцифровать с помощью очень простого АЦП, и самыми маленькими и наиболее энергоэффективными из них являются ИС смешанных сигналов.

ИС смешанных сигналов сложнее проектировать и производить, чем аналоговые или только цифровые интегральные схемы. Например, эффективная ИС со смешанными сигналами может иметь цифровые и аналоговые компоненты, использующие общий источник питания. Однако аналоговые и цифровые компоненты имеют совершенно разные потребности в мощности и характеристики потребления, что делает эту задачу нетривиальной при проектировании микросхем.

Функциональность смешанного сигнала включает в себя как традиционные активные элементы (например, транзисторы ), так и хорошо работающие пассивные элементы (например, катушки , конденсаторы и резисторы ) на одном кристалле. Это требует дополнительного понимания моделирования и возможностей производственных технологий. Высоковольтные транзисторы могут потребоваться для функций управления питанием на микросхеме с цифровой функциональностью, возможно, с маломощной CMOS процессорной системой . Некоторые передовые технологии смешанных сигналов могут позволить комбинировать аналоговые сенсорные элементы (например, датчики давления или визуализирующие диоды) на одном кристалле с АЦП.

Как правило, микросхемы со смешанными сигналами не обязательно требуют максимально быстрого цифрового исполнения. Вместо этого им нужны более зрелые модели активных и пассивных элементов для более точного моделирования и проверки, например, для планирования тестируемости и оценки надежности. Таким образом, схемы со смешанными сигналами обычно реализуются с большей шириной линии, чем самая высокоскоростная и самая плотная цифровая логика, а технологии реализации могут отставать на два-четыре поколения от новейших технологий реализации только в цифровой форме. Кроме того, для обработки смешанного сигнала могут потребоваться пассивные элементы, такие как резисторы, конденсаторы и катушки, для которых могут потребоваться специальные металлические, диэлектрические слои или аналогичные адаптации стандартных производственных процессов. Из-за этих особых требований ИС со смешанными сигналами и цифровые ИС могут иметь разные производители (так называемые литейные заводы ).

Приложения

[ редактировать ]

Существует множество применений интегральных схем смешанных сигналов, например, в мобильных телефонах , современных радио- и телекоммуникационных системах, сенсорных системах со стандартизированными цифровыми интерфейсами на кристалле (включая I2C , UART , SPI или CAN), обработке голосовых сигналов, аэрокосмическая и космическая электроника, Интернет вещей (IoT), беспилотные летательные аппараты (БПЛА), а также автомобильные и другие электрические транспортные средства. Схемы или системы смешанных сигналов обычно являются экономически эффективными решениями, например, для создания современной бытовой электроники , а также в промышленных, медицинских, измерительных и космических приложениях.

Примеры интегральных схем смешанных сигналов включают преобразователи данных, использующие дельта-сигма-модуляцию , аналого-цифровые преобразователи и цифро-аналоговые преобразователи, использующие обнаружение и исправление ошибок , а также цифровые радиочипы . с цифровым управлением Звуковые чипы также представляют собой схемы со смешанными сигналами. С появлением сотовых и сетевых технологий в эту категорию теперь входят сотовые телефоны , программное радио , а также LAN и WAN интегральные схемы маршрутизаторов .

Проектирование и разработка

[ редактировать ]

Обычно микросхемы смешанных сигналов выполняют какую-то целую функцию или подфункцию в более крупной сборке, например, в радиоподсистеме сотового телефона или в тракте считывания данных и лазерным SLED логике управления в DVD- плеере. Микросхемы со смешанными сигналами часто содержат целую систему на кристалле . Они также могут содержать встроенные блоки памяти (например, OTP ), что усложняет производство по сравнению с аналоговыми микросхемами. ИС со смешанными сигналами сводит к минимуму внешние межкристальные соединения между цифровыми и аналоговыми функциями в системе (обычно уменьшая размер и вес за счет минимизации упаковки и меньшей подложки модуля ) и, следовательно, повышает надежность системы.

Из-за использования как цифровой обработки сигналов, так и аналоговых схем, ИС смешанных сигналов обычно разрабатываются для очень конкретной цели. Их проектирование требует высокого уровня знаний и тщательного использования инструментов автоматизированного проектирования (САПР). Также существуют специальные инструменты проектирования (например, симуляторы смешанных сигналов) или языки описания (например, VHDL-AMS ). Автоматизированное тестирование готовых чипов также может оказаться сложной задачей. Teradyne , Keysight и Advantest являются основными поставщиками испытательного оборудования для чипов со смешанными сигналами.

Существует несколько особых проблем при производстве схем смешанных сигналов:

  • КМОП- технология обычно оптимальна для цифровых характеристик, тогда как биполярные транзисторы обычно оптимальны для аналоговых характеристик. Однако до последнего десятилетия было трудно экономически эффективно объединить эти технологии или спроектировать обе технологии в рамках одной технологии без серьезного ущерба для производительности. Появление таких технологий, как высокопроизводительные CMOS , BiCMOS , CMOS SOI и SiGe , устранило многие из этих прежних компромиссов.
  • Тестирование функциональной работы микросхем со смешанными сигналами остается сложной, дорогостоящей и часто представляет собой «разовую» задачу внедрения (это означает, что для продукта с единственным конкретным использованием необходимо проделать большую работу).
  • Методы систематического проектирования аналоговых схем и схем смешанных сигналов гораздо более примитивны, чем цифровых схем. В общем, проектирование аналоговых схем не может быть автоматизировано почти в такой степени, как проектирование цифровых схем. Объединение двух технологий умножает эту сложность.
  • Быстро меняющиеся цифровые сигналы посылают шум на чувствительные аналоговые входы. Одним из путей распространения этого шума является связь с подложкой . Чтобы попытаться заблокировать или устранить эту шумовую связь, используются различные методы, например, полностью дифференциальные усилители . [5] P+ защитные кольца, [6] дифференциальная топология, внутрикристальная развязка и трехлуночная изоляция. [7]

Вариации

[ редактировать ]

Устройства со смешанными сигналами доступны в качестве стандартных деталей, но иногда специально разработанные интегральные схемы (ASIC) специального назначения необходимы . ASIC разрабатываются для новых приложений, когда появляются новые стандарты или когда появляются новые источники энергии. [ нужны разъяснения ] реализованы в системе. Из-за своей специализации ASIC обычно разрабатываются только тогда, когда объемы производства оцениваются как высокие. Доступность готовых и протестированных IP- блоков для аналоговых и смешанных сигналов от литейных заводов или специализированных проектных бюро сократила разрыв в реализации ASIC для смешанных сигналов.

Также существуют программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA) со смешанными сигналами и микроконтроллеры . [примечание 1] В них тот же чип, который обрабатывает цифровую логику, может содержать структуры смешанных сигналов, такие как аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи, операционные усилители или блоки беспроводной связи. [8] Эти FPGA и микроконтроллеры со смешанными сигналами устраняют разрыв между стандартными устройствами со смешанными сигналами, полностью специализированными ASIC и встроенным программным обеспечением; они предлагают решение во время разработки продукта или когда объем продукта слишком мал, чтобы оправдать использование ASIC. Однако они могут иметь ограничения производительности, такие как разрешение аналого-цифровых преобразователей, скорость цифро-аналогового преобразования или ограниченное количество входов и выходов. Тем не менее, они могут ускорить проектирование архитектуры системы, создание прототипов и даже производство (в малых и средних масштабах). Их использование также может поддерживаться платами разработки, сообществом разработчиков и, возможно, поддержкой программного обеспечения.

МОП-схемы с переключаемыми конденсаторами

[ редактировать ]

( Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник MOSFET или МОП-транзистор) был изобретен Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом в Bell Telephone Laboratories в 1959 году, а интегральная микросхема МОП вскоре после этого была предложена (МОП-ИС). Однако технология MOS изначально не рассматривалась компанией Bell, поскольку они не сочли ее практичной для аналоговых телефонных коммерциализировали ее приложений, прежде чем Fairchild и RCA для цифровой электроники, такой как компьютеры . [9] [10] Технология МОП в конечном итоге стала практичной для телефонных МОП смешанных сигналов приложений благодаря интегральной схеме , которая сочетает в себе аналоговую и цифровую обработку сигналов на одном кристалле, разработанной бывшим инженером Bell Дэвидом А. Ходжесом совместно с Полом Р. Греем в Калифорнийском университете в Беркли в начале 1970-х годов. . [10] В 1974 году Ходжес и Грей работали с Р.Э. Суаресом над разработкой МОП -переключаемых конденсаторов технологии схемы (SC), которую они использовали для разработки микросхемы цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), используя МОП-конденсаторы и МОП-транзисторы для преобразования данных. [10] МОП Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и микросхемы ЦАП были коммерциализированы к 1974 году. [11]

Схемы MOS SC привели к разработке чипов кодеков-фильтров импульсно-кодовой модуляции (PCM) в конце 1970-х годов. [10] [12] Микросхема кодека-фильтра PCM с кремниевым затвором CMOS (дополнительная MOS), разработанная Ходжесом и У. К. Блэком в 1980 году. [10] с тех пор стал отраслевым стандартом цифровой телефонии . [10] [12] К 1990-м годам телекоммуникационные сети , такие как коммутируемая телефонная сеть общего пользования (PSTN), были в значительной степени оцифрованы с помощью очень большой интеграции CMOS PCM-кодеков-фильтров (VLSI), широко используемых в системах электронной коммутации для телефонных станций , частных отраслевых АТС ( АТС) и ключевые телефонные системы (КТС); пользовательские модемы ; приложения передачи данных , такие как операторы цифровой петли , с парным коэффициентом усиления мультиплексоры телефонной , удлинители линии , терминалы цифровой сети с интеграцией услуг (ISDN), цифровые беспроводные телефоны и цифровые сотовые телефоны ; и такие приложения, как для распознавания речи оборудование , хранилище речевых данных , голосовая почта и цифровые безленточные автоответчики . [12] Пропускная способность цифровых телекоммуникационных сетей быстро увеличивается в геометрической прогрессии, как это следует из закона Эдгольма . [13] во многом обусловлено быстрым масштабированием и миниатюризацией МОП-технологий. [14] [10]

RF КМОП-схемы

[ редактировать ]

Работая в Bell Labs в начале 1980-х годов, пакистанский инженер Асад Абиди работал над разработкой субмикронной технологии MOSFET (металл-оксид-полупроводниковый полевой транзистор) VLSI (очень крупномасштабная интеграция ) в Лаборатории разработки передовых LSI. вместе с Марти Лепселтером, Джорджем Э. Смитом и Гарри Болом. Будучи одним из немногих разработчиков схем в лаборатории, Абиди продемонстрировал потенциал субмикронной технологии NMOS- интегральных схем в высокоскоростных схемах связи и разработал первые МОП- усилители для скоростей передачи данных Гбит/с в оптоволоконных приемниках. Работа Абиди первоначально была встречена со скептицизмом со стороны сторонников арсенида галлия и транзисторов с биполярным переходом , доминирующих технологий для высокоскоростных схем в то время. В 1985 году он поступил на работу в Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе стал пионером технологии RF CMOS , где в конце 1980-х годов . Его работа изменила способ радиочастотных (РЧ) схем проектирования : от дискретных биполярных транзисторов к интегральным схемам КМОП . [15]

Абиди исследовал аналоговые КМОП- схемы для обработки сигналов и связи в конце 1980-х - начале 1990-х годов. В середине 1990-х годов технология RF CMOS, которую он разработал, получила широкое распространение в беспроводных сетях , когда мобильные телефоны начали широко использоваться. По состоянию на 2008 год радиоприемопередатчики во всех беспроводных сетевых устройствах и современных мобильных телефонах серийно производятся как RF CMOS-устройства. [15]

Процессоры основной полосы частот [16] [17] и радиоприемопередатчики во всех современных беспроводных сетевых устройствах и мобильных телефонах серийно производятся с использованием RF CMOS-устройств. [15] Схемы RF CMOS широко используются для передачи и приема беспроводных сигналов в различных приложениях, таких как спутниковые технологии (например, GPS ), Bluetooth , Wi-Fi , связь ближнего радиуса действия (NFC), мобильные сети (например, 3G , 4G) . , и 5G ), наземное вещание и автомобильные радары , а также другие области применения. [18] Технология RF CMOS имеет решающее значение для современной беспроводной связи, включая беспроводные сети и мобильной связи . устройства [19]

Коммерческие примеры

[ редактировать ]

См. также

[ редактировать ]

Примечания

[ редактировать ]
  1. ^ FPGA со смешанными сигналами являются расширением программируемых аналоговых массивов .
  2. ^ Некоторые литейные заводы также могут иметь услуги по проектированию или список партнеров, способных оказывать услуги по проектированию смешанных сигналов для своих технологий.
  1. ^ Сараджу Моханти , Проектирование наноэлектронной системы смешанных сигналов, McGraw-Hill, 2015, ISBN   978-0071825719 и 0071825711.
  2. ^ «Проектирование ИС смешанных сигналов» . цитата: «смешанный сигнал (ИС со смешанными аналоговыми и цифровыми схемами на одном кристалле)»
  3. ^ Марк Бернс и Гордон В. Робертс, «Введение в тестирование и измерение ИС смешанных сигналов», 2001 г.
  4. ^ "Схемы смешанных сигналов ESS". Архивировано 11 октября 2010 г. в Wayback Machine.
  5. ^ Чанг, Джей-Джей; Мёнхи Ли; Сунгён Юнг; Брук, Массачусетс; Джокерст, Нью-Мексико; Уиллс, Д.С. (1999). «Полностью дифференциальный входной каскад КМОП-усилителя с токовым входом, подавляющий шум подложки смешанного сигнала для оптоэлектронных приложений» . ИСКАС'99. Материалы Международного симпозиума IEEE по схемам и системам СБИС 1999 г. (кат. № 99CH36349) . Том. 1. С. 327–330. дои : 10.1109/ISCAS.1999.777869 . ISBN  0-7803-5471-0 . S2CID   206955680 .
  6. ^ Сингх, Р. (1997). «Проблемы шума подложки в конструкциях микросхем со смешанными сигналами с использованием Spice» . Международная конференция по электромагнитной совместимости . Том. 1997. стр. 108–112. дои : 10.1049/cp:19971128 . ISBN  0-85296-695-4 .
  7. ^ «ИС смешанных сигналов объединяет 14-битный АЦП с DSP в CMOS 0,18 мкм»
  8. ^ "FPGA смешанных сигналов Microsemi Fusion"
  9. ^ Малоберти, Франко; Дэвис, Энтони К. (2016). «История электронных устройств» (PDF) . Краткая история схем и систем: от экологически чистых, мобильных, всеобъемлющих сетей к вычислениям больших данных . Общество схем и систем IEEE . стр. 59-70 (65-7). ISBN  9788793609860 .
  10. ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Олстот, Дэвид Дж. (2016). «Фильтры с переключаемыми конденсаторами» (PDF) . В Малоберти, Франко; Дэвис, Энтони К. (ред.). Краткая история схем и систем: от экологически чистых, мобильных, всеобъемлющих сетей к вычислениям больших данных . Общество схем и систем IEEE . стр. 105–110. ISBN  9788793609860 .
  11. ^ Электронные компоненты . Типография правительства США . 1974. с. 46.
  12. ^ Перейти обратно: а б с Флойд, Майкл Д.; Хиллман, Гарт Д. (8 октября 2018 г.) [1-й паб. 2000]. «Кодек-фильтры импульсно-кодовой модуляции» . Справочник по коммуникациям (2-е изд.). ЦРК Пресс . стр. 26–1, 26–2, 26–3. ISBN  9781420041163 .
  13. ^ Черри, Стивен (2004). «Закон полосы пропускания Эдхольма». IEEE-спектр . 41 (7): 58–60. дои : 10.1109/MSPEC.2004.1309810 . S2CID   27580722 .
  14. ^ Джиндал, Ренука П. (2009). «От миллибитов до терабит в секунду и выше – более 60 лет инноваций» . 2009 2-й международный семинар по электронным устройствам и полупроводниковым технологиям . стр. 1–6. дои : 10.1109/EDST.2009.5166093 . ISBN  978-1-4244-3831-0 . S2CID   25112828 .
  15. ^ Перейти обратно: а б с О'Нил, А. (2008). «Асад Абиди получил признание за работу в области RF-CMOS». Информационный бюллетень Общества твердотельных схем IEEE . 13 (1): 57–58. дои : 10.1109/N-SSC.2008.4785694 . ISSN   1098-4232 .
  16. ^ Чен, Вай-Кай (2018). Справочник по СБИС . ЦРК Пресс . стр. 60–2. ISBN  9781420005967 .
  17. ^ Моргадо, Алонсо; Река, Росио-дель; Роза, Хосе М. де ла (2011). Нанометровые КМОП-сигма-дельта модуляторы для программно-определяемой радиосвязи . Springer Science & Business Media . п. 1. ISBN  9781461400370 .
  18. ^ Вендрик, Гарри Дж. М. (2017). Нанометровые КМОП-ИС: от основ к ASIC . Спрингер. п. 243. ИСБН  9783319475974 .
  19. ^ «Infineon достигла важной вехи в области массовых КМОП-радиочастотных коммутаторов» . ЭЭ Таймс . 20 ноября 2018 года . Проверено 26 октября 2019 г.

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 473d59f9d6ad5fea9d4e58dc4f53c96d__1694054640
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/47/6d/473d59f9d6ad5fea9d4e58dc4f53c96d.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Mixed-signal integrated circuit - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)