Интегральная схема смешанных сигналов
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 .
Обзор
[ редактировать ]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.
История
[ редактировать ]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 ]- Примеры домов и ресурсов смешанного дизайна:
- Примеры ПЛИС и микроконтроллеров со смешанными сигналами:
- Analog Devices CM4xx Процессоры управления смешанными сигналами
- Fusion FPGA (от Microsemi, теперь часть Microchip Technology)
- Cypress PSoC – «программируемая система на кристалле», продукт от Infineon Technologies (ранее Cypress Semiconductor)
- Техасские инструменты ' MSP430
- Xilinx FPGA смешанных сигналов
- Примеры предприятий со смешанными сигналами: [примечание 2]
- GlobalFoundries
- Новое японское радио
- Тауэр Семикондуктор Лтд.
- Икс-Фаб
- Список звуковых чипов
См. также
[ редактировать ]Примечания
[ редактировать ]- ^ FPGA со смешанными сигналами являются расширением программируемых аналоговых массивов .
- ^ Некоторые литейные заводы также могут иметь услуги по проектированию или список партнеров, способных оказывать услуги по проектированию смешанных сигналов для своих технологий.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Сараджу Моханти , Проектирование наноэлектронной системы смешанных сигналов, McGraw-Hill, 2015, ISBN 978-0071825719 и 0071825711.
- ^ «Проектирование ИС смешанных сигналов» . цитата: «смешанный сигнал (ИС со смешанными аналоговыми и цифровыми схемами на одном кристалле)»
- ^ Марк Бернс и Гордон В. Робертс, «Введение в тестирование и измерение ИС смешанных сигналов», 2001 г.
- ^ "Схемы смешанных сигналов ESS". Архивировано 11 октября 2010 г. в Wayback Machine.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ «ИС смешанных сигналов объединяет 14-битный АЦП с DSP в CMOS 0,18 мкм»
- ^ "FPGA смешанных сигналов Microsemi Fusion"
- ^ 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 .
- ^ Jump up to: 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 .
- ^ Электронные компоненты . Типография правительства США . 1974. с. 46.
- ^ Jump up to: 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 .
- ^ Черри, Стивен (2004). «Закон полосы пропускания Эдхольма». IEEE-спектр . 41 (7): 58–60. дои : 10.1109/MSPEC.2004.1309810 . S2CID 27580722 .
- ^ 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 .
- ^ Jump up to: 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 .
- ^ Чен, Вай-Кай (2018). Справочник по СБИС . ЦРК Пресс . стр. 60–2. ISBN 9781420005967 .
- ^ 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 .
- ^ Вендрик, Гарри Дж. М. (2017). Нанометровые КМОП-ИС: от основ к ASIC . Спрингер. п. 243. ИСБН 9783319475974 .
- ^ «Infineon достигла важной вехи в области массовых КМОП-радиочастотных коммутаторов» . ЭЭ Таймс . 20 ноября 2018 года . Проверено 26 октября 2019 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Сараджу Моханти (2015). Проектирование наноэлектронных систем смешанных сигналов . МакГроу-Хилл. ISBN 978-0071825719 .
- Р. Джейкоб Бейкер (2009). Проектирование КМОП-схем смешанных сигналов, второе издание . http://CMOSedu.com/