Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Смешанного сигнала интегральной схемы является любой интегральной схемы , которая имеет как аналоговых схем и цифровых схем на одном полупроводниковом кристалле. [1] [2] [3] [4] конструкции в реальных приложениях смешанного сигнала везде, например, смарт мобильных телефонов . Микросхемы смешанных сигналов также обрабатывают как аналоговые, так и цифровые сигналы вместе. Например, аналого-цифровой преобразователь представляет собой схему со смешанными сигналами. Схемы или системы со смешанными сигналами обычно являются экономически эффективным решением для создания любых современных приложений бытовой электроники .

Введение [ править ]

Аналоговая система смешанных сигналов на кристалле (AMS-SoC) может представлять собой комбинацию аналоговых схем, цифровых схем, собственных схем смешанных сигналов (таких как АЦП) и встроенного программного обеспечения .

Интегральные схемы (ИС) обычно классифицируются как цифровые (например, микропроцессор) или аналоговые (например, операционный усилитель). ИС со смешанными сигналами - это микросхемы, которые содержат как цифровые, так и аналоговые схемы на одной микросхеме. Эта категория микросхем резко выросла с увеличением использования сотовых телефонов 3G и других портативных технологий.

Микросхемы смешанных сигналов часто используются для преобразования аналоговых сигналов в цифровые, чтобы цифровые устройства могли их обрабатывать. Например, микросхемы смешанных сигналов являются важными компонентами FM-тюнеров в цифровых продуктах, таких как медиаплееры, которые имеют цифровые усилители. Любой аналоговый сигнал (например, FM-радиопередача, световая волна или звук) может быть оцифрован с использованием очень простого аналого-цифрового преобразователя, и самый маленький и наиболее энергоэффективный из них будет в форме смешанного сигнала. ИС.

ИС со смешанными сигналами сложнее разработать и изготовить, чем интегральные схемы только для аналогового или только для цифрового сигнала. Например, у эффективной ИС со смешанными сигналами цифровые и аналоговые компоненты будут совместно использовать общий источник питания. Однако аналоговые и цифровые компоненты имеют очень разные потребности в мощности и характеристики потребления, что делает эту задачу нетривиальной при разработке микросхем.

Примеры [ править ]

Как правило, смешанные сигналы микросхемы выполнять некоторые функции управления или подфункцию в большей сборке , таких как подсистемы радиосвязи с сотовым телефоном , или чтение данных и путь лазерных санки логики управления в виде DVD - плеер. Часто они содержат целую систему на кристалле .

Примеры интегральных схем со смешанными сигналами включают преобразователи данных, использующие дельта-сигма модуляцию , аналого-цифровой преобразователь / цифро-аналоговый преобразователь, использующий обнаружение и исправление ошибок , а также цифровые радиочипы. Звуковые чипы с цифровым управлением также являются схемами со смешанными сигналами. С появлением сотовых и сетевых технологий эта категория теперь включает сотовые телефоны , программные радиоприемники , интегральные схемы LAN и WAN маршрутизаторов .

Из-за использования как цифровой обработки сигналов, так и аналоговых схем, ИС со смешанными сигналами обычно разрабатываются для очень конкретной цели, и их конструкция требует высокого уровня знаний и осторожного использования инструментов автоматизированного проектирования (САПР). Автоматическое тестирование готовых чипов также может быть сложной задачей. Teradyne , Keysight и Texas Instruments являются основными поставщиками испытательного оборудования для смешанных сигналов микросхем.

К особым проблемам смешанного сигнала относятся:

  • Технология CMOS обычно оптимальна для цифровых характеристик и масштабирования, в то время как биполярные транзисторы обычно оптимальны для аналоговых характеристик, но до последнего десятилетия было трудно либо комбинировать их с минимальными затратами, либо спроектировать как аналоговые, так и цифровые в одной технологии без серьезных характеристик. компромиссы. Появление таких технологий, как высокопроизводительная CMOS , BiCMOS , CMOS SOI и SiGe , устранило многие компромиссы, которые ранее приходилось идти.
  • Тестирование функциональной работы ИС со смешанными сигналами остается сложной, дорогостоящей и часто «одноразовой» задачей реализации.
  • Методологии систематического проектирования, сравнимые с методами цифрового проектирования, гораздо более примитивны в области аналоговых и смешанных сигналов. Проектирование аналоговых схем, как правило, невозможно автоматизировать почти в той степени, в которой это возможно при проектировании цифровых схем. Сочетание двух технологий многократно увеличивает эту сложность.
  • Быстро меняющиеся цифровые сигналы посылают шум на чувствительные аналоговые входы. Один из путей возникновения этого шума - соединение с подложкой . Чтобы попытаться заблокировать или отменить эту шумовую связь, используются различные методы, такие как полностью дифференциальные усилители , [5] P + защитные кольца, [6] дифференциальная топология, внутрикристальная развязка и трехлуночная изоляция. [7]

Коммерческие примеры [ править ]

  • ICsense
  • AnSem
  • RF CMOS (используется для RF схем в беспроводной связи)
  • Список звуковых фишек
    • Звуковые чипы для синтеза FM Yamaha
    • Atari POKEY
    • MOS Technology SID
  • PSoC  - Программируемая система Cypress PSoC на чипе
  • Silego Technology Inc.
  • Система на ASIC
  • Texas Instruments ' MSP430
  • Triad Semiconductor
  • Wolfson Microelectronics
  • EnSilica

В большинстве современных систем радиосвязи и телекоммуникаций используются схемы со смешанными сигналами.

История [ править ]

Схемы с переключаемыми конденсаторами MOS [ править ]

Дополнительная информация: Коммутируемый конденсатор и цифровая телефония

Металл-оксид-полупроводник полевой транзистор (MOSFET, или МОП - транзистор) был изобретен Mohamed М. Atalla и Давон Канг в Bell Telephone Laboratories в 1959 году, а МОП интегральной схемы (МОП ИС) была предложена вскоре после этого , но Технология MOS изначально игнорировалась Bell, потому что они не считали ее практичной для аналоговых телефонных приложений, прежде чем она была коммерциализирована Fairchild и RCA для цифровой электроники, например компьютеров . [8] [9] MOS-технология со временем стала применяться в телефонии.приложения с МОП- интегральной схемой смешанного сигнала , которая объединяет аналоговую и цифровую обработку сигналов на одном кристалле, разработанные бывшим инженером Bell Дэвидом А. Ходжесом и Полом Р. Греем в Калифорнийском университете в Беркли в начале 1970-х годов. [9] В 1974 году Ходжес и Грей работали с Р. Э. Суаресом над разработкой технологии схемы МОП- переключаемых конденсаторов (SC), которую они использовали для разработки микросхемы цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) с использованием МОП-конденсаторов и переключателей MOSFET для преобразования данных . [9] МОП- аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и микросхемы ЦАП были коммерциализированы к 1974 г. [10]

Схемы MOS SC привели к разработке микросхем кодека-фильтра с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) в конце 1970-х годов. [9] [11] кремниевого затвора КМОП (комплементарный МОП) PCM кодек-фильтр чип, разработанный Hodges и WC Black в 1980 году [9] с тех пор была промышленным стандартом для цифровой телефонии . [9] [11] К 1990-м годам телекоммуникационные сети, такие как коммутируемая телефонная сеть общего пользования (PSTN), были в значительной степени оцифрованы с использованием кодеков-фильтров CMOS PCM с очень крупномасштабной интеграцией (VLSI), широко используемых в системах электронной коммутации длятелефонные станции , частные телефонные станции (PBX) и ключевые телефонные системы (KTS); пользовательские модемы ; приложения для передачи данных, такие как несущие цифровой петли , мультиплексоры с усилением пары , расширители телефонных петель , терминалы цифровой сети с интегрированными услугами (ISDN), цифровые беспроводные телефоны и цифровые сотовые телефоны ; и такие приложения, как оборудование для распознавания речи , хранилище голосовых данных , голосовая почта и цифровые безленточные автоответчики .[11] Полоса пропускания цифровых телекоммуникационных сетей быстро растет по экспоненте, какотмечено законом Edholm в , [12] в значительной степени обусловлено быстрым масштабированием и миниатюризации технологии MOS. [13] [9]

Схемы RF CMOS [ править ]

Основная статья: RF CMOS

Работая в Bell Labs в начале 1980-х годов, пакистанский инженер Асад Абиди работал над разработкой технологии СБИС ( сверхбольшая интеграция ) субмикронного MOSFET (металл-оксид-полупроводниковый полевой транзистор) в Advanced LSI Development Lab. вместе с Марти Лепсельтером, Джорджем Смитом и Гарри Болом. Как один из немногих разработчиков схем в лаборатории, Абиди продемонстрировал потенциал технологии субмикронных интегральных схем NMOS в схемах высокоскоростной связи и разработал первые усилители MOS для Гбит / с. скорости передачи данных в оптоволоконных приемниках. Изначально работа Абиди вызвала скептицизм сторонников GaAs и биполярных транзисторов , которые в то время были доминирующими технологиями для высокоскоростных схем. В 1985 году он присоединился к Калифорнийскому университету в Лос-Анджелесе , где в конце 1980-х годов стал пионером технологии RF CMOS. Его работа изменила способ проектирования радиочастотных схем , от дискретных биполярных транзисторов к интегральным схемам КМОП . [14]

Абиди исследовал аналоговые КМОП- схемы для обработки сигналов и связи с конца 1980-х до начала 1990-х годов. В середине 1990-х годов технология RF CMOS, которую он первым начал, получила широкое распространение в беспроводных сетях , поскольку мобильные телефоны стали широко использоваться. С 2008 года радиопередатчики во всех беспроводных сетевых устройствах и современных мобильных телефонах производятся серийно как устройства RF CMOS. [14]

Процессоры основной полосы частот [15] [16] и радиопередатчики во всех современных беспроводных сетевых устройствах и мобильных телефонах серийно производятся с использованием устройств RF CMOS. [14] РЧ-КМОП-схемы широко используются для передачи и приема беспроводных сигналов в различных приложениях, таких как спутниковая технология (например, GPS ), Bluetooth , Wi-Fi , связь ближнего поля (NFC), мобильные сети (например, как 3G и 4G ), наземное вещание и автомобильный радарприложений, среди прочего. [17] Технология RF CMOS имеет решающее значение для современной беспроводной связи, включая беспроводные сети и устройства мобильной связи . [18]

См. Также [ править ]

  • Аналоговый интерфейс

Ссылки [ править ]

  1. ^ Сараджу Моханти , Проектирование наноэлектронных систем со смешанными сигналами , McGraw-Hill, 2015, ISBN 978-0071825719 и 0071825711. 
  2. ^ "Смешанный дизайн ИС" . 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.
  4. ^ "ESS Mixed Signal Circuits" Архивировано 11.10.2010 в Wayback Machine
  5. ^ "Полностью дифференциальный входной сигнал КМОП усилителя с токовым входом, подавляющий шум подложки смешанного сигнала для оптоэлектронных приложений" Чанг, Дж. Дж.; Мёнхи Ли; Сунгён Чжон; Брук, Массачусетс; Джокерст, Нью-Мексико; Завещания, DS 1999
  6. ^ "Проблемы шума подложки в схемах микросхем смешанного сигнала с использованием Spice" Сингх, Р.; Сали, С. 1997
  7. ^ "ИС смешанного сигнала объединяет 14-битный АЦП с DSP в 0,18-мкм CMOS"
  8. ^ Малоберти, Франко; Дэвис, Энтони С. (2016). «История электронных устройств» (PDF) . Краткая история схем и систем: от экологичных, мобильных, повсеместных сетей до больших вычислений . IEEE Circuits and Systems Society . С. 59-70 (65-7). ISBN  9788793609860.
  9. ^ Б с д е е г Allstot, David J. (2016). «Коммутируемые конденсаторные фильтры» (PDF) . В Малоберти, Франко; Дэвис, Энтони С. (ред.). Краткая история схем и систем: от экологичных, мобильных, повсеместных сетей до больших вычислений . IEEE Circuits and Systems Society . С. 105–110. ISBN  9788793609860.
  10. ^ Электронные компоненты . Типография правительства США . 1974. стр. 46.
  11. ^ a b c Флойд, Майкл Д .; Хиллман, Гарт Д. (8 октября 2018 г.) [1-й паб. 2000]. «Кодек-фильтры с импульсной модуляцией» . Справочник по коммуникациям (2-е изд.). CRC Press . С. 26–1, 26–2, 26–3.
  12. ^ Черри, Стивен (2004). «Закон Эдхольма полосы пропускания». IEEE Spectrum . 41 (7): 58–60. DOI : 10.1109 / MSPEC.2004.1309810 .
  13. ^ Джиндэл, Ренук P. (2009). «От миллибитов до терабитов в секунду и выше - более 60 лет инноваций» . 2009 2-й международный семинар по электронным устройствам и полупроводниковым технологиям : 1–6. DOI : 10,1109 / EDST.2009.5166093 . ISBN 978-1-4244-3831-0.
  14. ^ а б в О'Нил, А. (2008). «Асад Абиди получил признание за работу в области RF-CMOS». Информационный бюллетень IEEE Solid-State Circuits Society . 13 (1): 57–58. DOI : 10,1109 / N-SSC.2008.4785694 . ISSN 1098-4232 . 
  15. ^ Чен, Вай-Кай (2018). Справочник СБИС . CRC Press . С. 60–2. ISBN 9781420005967.
  16. ^ Моргадо, Алонсо; Рио, Росио дель; Роза, Хосе М. де ла (2011). Сигма-дельта-модуляторы нанометрового КМОП для программно-определяемого радио . Springer Science & Business Media . п. 1. ISBN 9781461400370.
  17. ^ Veendrick, Гарри JM (2017). Нанометрические КМОП ИС: от основ до ASIC . Springer. п. 243. ISBN 9783319475974.
  18. ^ "Infineon достигает вехи вехи на веху переключателя RF Bulk-CMOS" . EE Times . 20 ноября 2018 . Проверено 26 октября 2019 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Сараджу Моханти (2015). Проектирование наноэлектронных систем со смешанными сигналами . Макгроу-Хилл. ISBN 978-0071825719.
  • Р. Джейкоб Бейкер (2009). CMOS Mixed-Signal Circuit Design, Second Edition . http://CMOSedu.com/