Интегралдық схемалар: Аналогтық және цифрлық жүйелердің үйлесімі

Кіріспе

Интегралды схема

Аралас сигналды интегралды схема – бір жартылай өткізгіш кристаллында аналогтық және цифрлық схемаларды қамтитын кез келген интегралды схема. Ұялы телефондар, телекоммуникациялар, портативті электроника және электроникалық және сандық сенсорлары бар автомобильдердің пайдалану артуымен олардың қолданылуы күрт өсті.

Шолу

Интегралды схемалар (ИС) әдетте цифрлық (мысалы, микропроцессор) немесе аналогтық (мысалы, операциялық күшейткіш) болып жіктеледі. Аралас сигналды ИС-терде бір чипте цифрлық және аналогтық схемалар, сондай-ақ кейде кіріктірілген бағдарламалық қамтамасыз ету болады. Аралас сигналды ИС-тер аналогтық және цифрлық сигналдарды бірге өңдейді. Мысалы, аналогты-цифрлық түрлендіргіш (АЦТ) – бұл аралас сигналды схема. Аралас сигналды ИС-тер көбінесе аналогтық сигналдарды цифрлық сигналдарға түрлендіру үшін қолданылады, осылайша цифрлық құрылғылар оларды өңдей алады. Мысалы, аралас сигналды ИС-тер FM тюнерлерінің маңызды құрамдас бөліктері болып табылады, олар медиаплеерлер сияқты цифрлық өнімдерде цифрлық күшейткіштерге ие. Кез келген аналогтық сигнал өте қарапайым АЦТ арқылы цифрландырылуы мүмкін, ал олардың арасындағы ең кішкентай және энергияны тиімді пайдаланатыны – аралас сигналды ИС. Аралас сигналды интегралдық схемаларды жобалау және өндіру тек аналогтық немесе тек цифрлық интегралдық схемаларға қарағанда қиынырақ. Мысалы, тиімді аралас сигналды ИС-тің цифрлық және аналогтық компоненттері ортақ қуат көзімен бөлісуі мүмкін. Дегенмен, аналогтық және цифрлық компоненттердің қуатты қажеттілігі мен тұтыну сипаттамалары өте әртүрлі, бұл чиптерді жобалауда елеулі міндетті құрайды. Аралас сигналды функционалдылыққа бір чипте дәстүрлі белсенді элементтер (транзисторлар сияқты) және жақсы жұмыс істейтін пассивті элементтер (котушкалар, конденсаторлар және резисторлар сияқты) кіреді. Бұл үшін қосымша модельдеу түсінігі және өндіріс технологияларының мүмкіндіктері қажет. Чиптегі қуатты басқару функцияларында жоғары кернеулі транзисторлар қажет болуы мүмкін, мүмкін, қуаты төмен CMOS процессор жүйесімен бірге. Кейбір жетілдірілген аралас сигналды технологиялар АЦТ-мен бірге аналогтық сенсорлық элементтерді (қысым сенсорлары немесе бейнелеу диодтары сияқты) бір чипте біріктіруге мүмкіндік береді. Әдетте, аралас сигналды ИС-терге ең жоғары жылдамдықпен цифрлық өнімділік қажет емес. Керісінше, оларға сынақ жоспарлау және сенімділік бағалау сияқты дәл симуляциялау мен тексеру үшін белсенді және пассивті элементтердің жетілген модельдері қажет. Сондықтан, аралас сигналды схемалар әдетте ең жоғары жылдамдықпен және ең тығыз цифрлық логикадан гөрі үлкен желі ендерімен жүзеге асырылады, ал іске асыру технологиялары соңғы цифрлық іске асыру технологияларынан екі-төрт буын қалып қоюы мүмкін. Сонымен қатар, аралас сигналды өңдеуге резисторлар, конденсаторлар және котушкалар сияқты пассивті элементтер қажет болуы мүмкін, оларға арнайы металл, диэлектрлік қабаттар немесе стандартты өндіріс процестерінің ұқсас бейімделуі қажет болуы мүмкін. Осы ерекше талаптарға байланысты аралас сигналды ИС және цифрлық ИС әртүрлі өндірушілерге (құю заводтары деп аталады) ие болуы мүмкін.

Integrated circuits (ICs) are generally classified as digital (e. g. a microprocessor) or analog (e. g. an operational amplifier). Mixed signal ICs contain both digital and analog circuitry on the same chip, and sometimes embedded software. Mixed signal ICs process both analog and digital signals together. For example, an analog to digital converter (ADC) is a typical mixed signal circuit. Mixed signal ICs are often used to convert analog signals to digital signals so that digital devices can process them. For example, mixed signal ICs are essential components for FM tuners in digital products such as media players, which have digital amplifiers. Any analog signal can be digitized using a very basic ADC, and the smallest and most energy efficient of these are mixed signal ICs. Mixed signal ICs are more difficult to design and manufacture than analog only or digital only integrated circuits. For example, an efficient mixed signal IC may have its digital and analog components share a common power supply. However, analog and digital components have very different power needs and consumption characteristics, which makes this a non trivial goal in chip design. Mixed signal functionality involves both traditional active elements (like transistors) and well performing passive elements (like coils, capacitors, and resistors) on the same chip. This requires additional modelling understanding and options from manufacturing technologies. High voltage transistors might be needed in the power management functions on a chip with digital functionality, possibly with a low power CMOS processor system. Some advanced mixed signal technologies may enable combining analog sensor elements (like pressure sensors or imaging diodes) on the same chip with an ADC. Typically, mixed signal ICs do not necessarily need the fastest digital performance. Instead, they need more mature models of active and passive elements for more accurate simulations and verification, such as for testability planning and reliability estimations. Therefore, mixed signal circuits are typically realized with larger line widths than the highest speed and densest digital logic, and the implementation technologies can be two to four generations behind the latest digital only implementation technologies. Additionally, mixed signal processing may need passive elements like resistors, capacitors, and coils, which may require specialized metal, dielectric layers, or similar adaptations of standard fabrication processes. Because of these specific requirements, mixed signal ICs and digital ICs can have different manufacturers (known as foundries).

Қолданбалар

Аралас сигнал интегралдық схемаларының көптеген қолданыс аймақтары бар, мысалы, ұялы телефондарда, заманауи радио және телекоммуникация жүйелерінде, чиптегі стандартталған цифрлық интерфейстермен (I2C, UART, SPI немесе CAN), дауыс өңдеуге, аэроғарыш және ғарыш электроникасына, заттардың интернетіне (IoT), ұшқышсыз әуе көліктеріне (UAV) және автомобильдерге, сондай-ақ басқа электрлік көліктерге. Аралас сигналдық схемалар немесе жүйелер көбінесе тиімді шешімдер болып табылады, мысалы, заманауи тұтынушы электроникасын жасау үшін, сонымен қатар өнеркәсіптік, медициналық, өлшеу және ғарыш салаларында қолданылады. Аралас сигнал интегралдық схемаларының мысалдарына дельта-сигма модуляциясын қолданатын деректер түрлендіргіштері, қателерді анықтау және түзетуді пайдаланатын аналог-цифрлық және цифрлық-аналог түрлендіргіштері, сондай-ақ цифрлық радио чиптері жатады. Цифрлық басқарудағы дыбыс чиптері де аралас сигналдық схемалар болып есептеледі. Ұялы және желілік технологиялардың дамуымен бұл санатқа ұялы телефондар, бағдарламалық радио, LAN және WAN маршрутизаторларының интегралдық схемалары енді.

Вариациялар

Аралас сигналды құрылғылар стандартты бөлшектер ретінде қолжетімді, бірақ кейде арнайы әзірленген, қолданбаға арналған интегралды схемалар (ASIC) қажет болады. ASIC-тер жаңа қосымшалар үшін, жаңа стандарттар пайда болғанда немесе жүйеге жаңа энергия көздері енгізілгенде жасалады. Мамандану деңгейіне байланысты, ASIC-тер көбінесе өндіріс көлемі жоғары деп есептелгенде ғана әзірленеді. Құю фабрикалары мен арнайы жобалау орталықтарынан дайын және сынақтан өткен аналогтық және аралас сигналды IP-блоктарының болуы аралас сигналды ASIC-терді іске асырудағы қиындықтарды азайтады. Сондай-ақ, аралас сигналды өрісте бағдарламаланатын қақпалар массиві (FPGA) және микроконтроллерлер де бар. Аралас сигналды FPGA-лар – өрісте бағдарламаланатын аналогтық массивтердің кеңейтілген нұсқасы. Оларда цифрлық логиканы басқаратын бір чипте аналогтан цифрлыққа және цифрлықтан аналогқа түрлендіргіштер (АЦТ/ЦАТ), операциялық күшейткіштер немесе сымсыз байланыс блоктары сияқты аралас сигналды құрылымдар болуы мүмкін. Бұл аралас сигналды FPGA-лар мен микроконтроллерлер стандартты аралас сигналды құрылғылар, толықтай бейімделген ASIC-тер және енгізілген бағдарламалық жасақтама арасындағы алшақтықты қысқартады; олар өнімді әзірлеу кезінде немесе өнім көлемі ASIC-ті негіздеу үшін жеткіліксіз болғанда тиімді шешім ұсынады. Дегенмен, олардың өнімділігінде аналогтан цифрлыққа түрлендіргіштердің ажыратымдылығы, цифрлықтан аналогқа түрлендіру жылдамдығы немесе кіріс-шығыс порттарының шектеулі саны сияқты кемшіліктер болуы мүмкін. Бірақ, олар жүйелік архитектураны жобалауды, прототиптеуді және тіпті өндірісті (шағын және орта көлемде) жылдамдатуға мүмкіндік береді. Оларды қолдануды дамыту тақталары, дамыту қауымдастығы және мүмкін бағдарламалық қолдау да қамтамасыз ете алады.