Интегральные схемы смешанного типа

Введение

Интегрированная схема

Интегральная схема смешанного сигнала – это любая интегральная схема, содержащая как аналоговые, так и цифровые схемы на одном полупроводниковом кристалле. Их применение значительно расширилось с ростом использования сотовых телефонов, телекоммуникаций, портативной электроники и автомобилей, оснащенных электроникой и цифровыми датчиками.

Обзор

Интегральные схемы (ИС) обычно классифицируются как цифровые (например, микропроцессор) или аналоговые (например, операционный усилитель). ИС с комбинированной обработкой сигналов содержат как цифровые, так и аналоговые схемы на одном кристалле, а иногда и встроенное программное обеспечение. ИС с комбинированной обработкой сигналов обрабатывают аналоговые и цифровые сигналы совместно. Например, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) является типичной схемой с комбинированной обработкой сигналов. ИС с комбинированной обработкой сигналов часто используются для преобразования аналоговых сигналов в цифровые, чтобы цифровые устройства могли их обрабатывать. Например, ИС с комбинированной обработкой сигналов являются важными компонентами FM-тюнеров в цифровых продуктах, таких как медиаплееры, которые оснащены цифровыми усилителями. Любой аналоговый сигнал можно оцифровать с помощью простейшего АЦП, а самые компактные и энергоэффективные из них – это ИС с комбинированной обработкой сигналов. Проектирование и производство ИС с комбинированной обработкой сигналов сложнее, чем производство чисто аналоговых или чисто цифровых интегральных схем. Например, эффективная ИС с комбинированной обработкой сигналов может использовать общий источник питания для своих цифровых и аналоговых компонентов. Однако аналоговые и цифровые компоненты имеют существенно разные требования к питанию и характеристики потребления, что делает эту задачу непростой при проектировании кристалла. Функциональность с комбинированной обработкой сигналов включает в себя как традиционные активные элементы (например, транзисторы), так и высокопроизводительные пассивные элементы (например, катушки индуктивности, конденсаторы и резисторы) на одном кристалле. Это требует дополнительных знаний в области моделирования и возможностей, предоставляемых технологиями производства. Для функций управления питанием на кристалле с цифровой функциональностью могут потребоваться высоковольтные транзисторы, возможно, в сочетании с маломощной CMOS-процессорной системой. Некоторые передовые технологии с комбинированной обработкой сигналов позволяют объединять на одном кристалле элементы аналоговых датчиков (например, датчики давления или светочувствительные диоды) с АЦП. Как правило, для ИС с комбинированной обработкой сигналов не требуется максимальная цифровая производительность. Вместо этого им нужны более зрелые модели активных и пассивных элементов для более точного моделирования и верификации, например, для планирования тестирования и оценки надежности. Поэтому схемы с комбинированной обработкой сигналов обычно изготавливаются с более широкими линиями, чем самые быстрые и плотные цифровые логические схемы, а используемые технологии производства могут отставать от последних цифровых технологий на два-четыре поколения. Кроме того, для обработки комбинированных сигналов могут потребоваться пассивные элементы, такие как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, для которых могут потребоваться специализированные металлические слои, диэлектрические слои или аналогичные модификации стандартных производственных процессов. Из-за этих специфических требований ИС с комбинированной обработкой сигналов и цифровые ИС могут производиться разными предприятиями (известными как фабрики).

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).

Приложения

Существует множество применений смешанных сигнальных интегральных схем, таких как в мобильных телефонах, современных радио- и телекоммуникационных системах, сенсорных системах с интегрированными стандартизированными цифровыми интерфейсами (включая I2C, UART, SPI или CAN), обработке голосовых сигналов, аэрокосмической и космической электронике, Интернете вещей (IoT), беспилотных летательных аппаратах (БПЛА) и автомобильном транспорте, а также других электрических транспортных средствах. Смешанные сигнальные схемы или системы обычно представляют собой экономически эффективные решения, например, для создания современной потребительской электроники и в промышленных, медицинских, измерительных и космических приложениях. Примеры смешанных сигнальных интегральных схем включают преобразователи данных с использованием дельта-сигма модуляции, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи с обнаружением и коррекцией ошибок, а также цифровые радиочипы. Звуковые чипы с цифровым управлением также являются смешанными сигнальными схемами. С развитием сотовой и сетевой технологий, в эту категорию теперь входят интегральные схемы сотовой связи, программно-определяемого радио и маршрутизаторов LAN и WAN.

Вариации

Устройства со смешанными сигналами доступны как стандартные компоненты, но иногда требуются специализированные интегральные схемы (ASIC), разработанные под конкретное применение. ASIC разрабатываются для новых приложений, при появлении новых стандартов или при внедрении новых источников питания в систему. Ввиду их специализации, ASIC обычно разрабатываются только при прогнозируемых больших объемах производства. Наличие готовых и протестированных аналоговых и смешанных сигналов IP-блоков от производителей или специализированных конструкторских организаций снизило сложность реализации ASIC со смешанными сигналами. Существуют также полевые программируемые вентильные матрицы (FPGA) и микроконтроллеры со смешанными сигналами. FPGA со смешанными сигналами являются развитием полевых программируемых аналоговых матриц. В них один и тот же чип, обрабатывающий цифровую логику, может содержать структуры со смешанными сигналами, такие как аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, операционные усилители или блоки беспроводной связи. Эти FPGA и микроконтроллеры со смешанными сигналами восполняют разрыв между стандартными устройствами со смешанными сигналами, полностью индивидуальными ASIC и встроенным программным обеспечением; они предлагают решение на этапе разработки продукта или когда объем производства слишком мал для оправдания разработки ASIC. Однако они могут иметь ограничения по 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 отладочными платами, сообществом разработчиков и, возможно, программной поддержкой.