Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Интегральная схема со смешанными сигналами: металлические области с правой стороны - это конденсаторы, поверх которых большие выходные транзисторы, а левая сторона занята цифровой логикой.

Смешанного сигнала интегральной схемы является любой интегральной схемы , которая имеет как аналоговых схем и цифровых схем на одном полупроводниковом кристалле. [1] [2] [3] [4]

В реальных приложениях смешанных сигналов конструкции везде, например, в интеллектуальных мобильных телефонах , сенсорные системы с на чипе стандартизированы цифровые интерфейсы (например , I2C , UART , SPI, CAN и др.), Обработка связанных с речевым сигналом, аэрокосмическими и пространство электроника, Интернет вещей , беспилотные летательные аппараты (БПЛА), автомобильные и другие электрические транспортные средства. Микросхемы смешанных сигналов также обрабатывают как аналоговые, так и цифровые сигналы вместе. Например, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) представляет собой типичную схему смешанного сигнала. Цепи или системы со смешанными сигналами обычно являются экономически эффективным решением для создания любой современной бытовой электроники., промышленные, медицинские, измерительные, космические и др. приложения. Интегральная схема со смешанными сигналами может также содержать блоки памяти на кристалле, такие как OTP , что усложняет производство по сравнению с аналоговыми ИС. Интегральная схема со смешанными сигналами минимизирует межкристаллические взаимосвязи между цифровыми и аналоговыми функциями в системе, обычно это размер и вес реализации из-за минимальной упаковки и меньшего размера системной платы ( PWB / PCB , подложка модуля и т. Д.) И, следовательно, повышение надежности системы.

Устройства со смешанными сигналами доступны как стандартные части, но специально разработанные интегральные схемы для конкретных приложений (ASIC) предназначены для новых приложений, или если появляются новые стандарты или новые источники энергии внедряются в систему, а объемы производства оцениваются в под кайфом. Наличие готовых и протестированных аналоговых IP- блоков и IP- блоков со смешанными сигналами от литейных предприятий или специализированных конструкторских бюро сократило разрыв в реализации ASIC со смешанными сигналами. Также существует несколько ПЛИС и микроконтроллеров со смешанными сигналами , которые обычно могут включать аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи, операционные усилители, даже блоки беспроводной связи и т. Д. На одном кристалле с цифровой логикой. [5]ПЛИС смешанного сигнала являются расширением программируемых аналоговых массивов. Эти ПЛИС со смешанными сигналами и микроконтроллеры заполняют пробел между стандартными устройствами со смешанными сигналами, полностью настраиваемыми ASIC и, возможно, встроенным программным обеспечением, когда продукты находятся в стадии разработки или объемы слишком малы для эффективной реализации полностью настраиваемых ASIC. Однако может быть несколько ограничений производительности, как правило, для этого типа ПЛИС и микроконтроллеров, таких как разрешение АЦП, скорость цифро-аналогового преобразования (ЦАП), ограниченное количество входов и выходов и т. Д. Несмотря на эти возможные ограничения ПЛИС со смешанным сигналом и микроконтроллеры могут работать быстрее проектирование архитектуры системы, прототипирование и даже мелкое и среднее производство. Они также могут быть поддержаны советами по разработке, сообществом разработчиков и, возможно, также поддержкой программного обеспечения.

Введение [ править ]

Аналоговая система смешанных сигналов на кристалле (AMS-SoC) может представлять собой комбинацию аналоговых схем, цифровых схем, собственных схем смешанных сигналов (например, АЦП), а в некоторых случаях, возможно, также 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 в объемах, особенно в связи с более широким использованием сотовых телефонов 3G , 4G , 5G и т. Д. И других портативных технологий, а также увеличением количества датчиков и электроники в автомобилях.

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, эффективная ИС со смешанными сигналами будет иметь свои цифровые и аналоговые компоненты, совместно использующие общий источник питания. Однако аналоговые и цифровые компоненты имеют очень разные требования к мощности и потребляемой мощности, что делает эту задачу нетривиальной при разработке микросхем.

Реализация функций смешанного сигнала требует от производственных технологий в дополнение к традиционным активным (различные транзисторы), а также опций и понимания моделирования, чтобы реализовать хорошо работающие пассивные элементы, такие как катушки, конденсаторы и резисторы, на одном кристалле с цифровыми функциями. Транзисторы высокого напряжения могут потребоваться для функций управления питанием на одном кристалле с цифровой функцией, возможно, с системой процессора CMOS с низким энергопотреблением. Некоторые передовые технологии смешанных сигналов могут позволить использовать даже аналоговые сенсорные элементы, такие как датчики давления или диоды формирования изображения, на одном кристалле с аналогово-цифровым преобразователем.Обычно ИС со смешанными сигналами не обязательно нуждаются в самой быстрой цифровой производительности, но нуждаются в более зрелых моделях активных и пассивных элементов для более точного моделирования и проверки, например, для планирования тестируемости и оценок надежности. Поэтому схемы со смешанными сигналами обычно реализуются с большей шириной линии, чем наивысшая скорость и наиболее плотная цифровая логика, а технологии реализации могут быть 2-4узлы, стоящие за новейшими технологиями цифрового внедрения. Для дополнительной обработки смешанного сигнала могут потребоваться пассивные элементы, такие как резисторы, конденсаторы и катушки, для которых могут потребоваться определенные металлические или диэлектрические слои или аналогичные. Из-за этих особых требований производители литейных устройств со смешанными сигналами могут отличаться от производителей или производителей цифровых ИС.

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 маршрутизаторов LAN и WAN .

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). Также существуют специальные инструменты проектирования, такие как симуляторы смешанных сигналов или языки описания, такие как VHDL-AMS . Автоматическое тестирование готовых чипов также может быть сложной задачей. Teradyne , Keysight , [6] и Advantest 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 единой технологии без серьезной производительности. компромиссы. Появление таких технологий, как высокопроизводительная CMOS , BiCMOS , CMOS SOI и SiGe , устранило многие из ранее существовавших компромиссов.
  • Тестирование функциональной работы ИС со смешанными сигналами остается сложной, дорогостоящей и часто «разовой» 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 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. Одним из путей возникновения этого шума является сцепление с подложкой . Для того чтобы попытаться заблокировать или отменить эту шумовую связь, используются различные методы, такие как полностью дифференциальные усилители , [7] P + защитные кольца, [8] дифференциальная топология, внутренняя развязка и трехлуночная изоляция. [9]

В большинстве современных радио- и телекоммуникационных систем используются схемы со смешанными сигналами.

Коммерческие примеры [ править ]

  • Несколько примеров проектов домов / ресурсов со смешанными сигналами (есть разные источники):
    • AnSem
    • CoreHW
    • EnSilica
    • ICsense
    • Престо Инжиниринг
    • Система на ASIC
    • Triad Semiconductor
  • Примеры ПЛИС со смешанным сигналом и микроконтроллеров:
    • Процессоры управления смешанными сигналами Analog Devices CM4xx
    • Fusion FPGA (от Microsemi теперь часть Microchip Technology)
    • PSoC Программируемая система PSoC на кристалле, продукт от Infineon Technologies (ранее Cypress Semiconductor)
    • Texas Instruments ' MSP430
    • ПЛИС со смешанными сигналами Xilinx
  • Примеры литейных заводов со смешанными сигналами. Некоторые литейные предприятия могут также иметь услуги по проектированию или список партнеров, способных предоставлять услуги по разработке смешанных сигналов для своих технологий:
    • Globalfoundries
    • Новое радио Японии
    • Tower Semiconductor Ltd
    • X-Fab
  • Список звуковых фишек
    • Звуковые чипы для синтеза FM Yamaha
    • Atari POKEY
    • MOS Technology SID

История [ править ]

Схемы MOS с переключаемыми конденсаторами [ 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, такой как компьютеры . [10] [11] Технология MOS 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. [11] 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. . [11] МОП- аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и микросхемы ЦАП были коммерциализированы к 1974 г. [12]

Схемы MOS SC привели к разработке микросхем кодека-фильтра с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) в конце 1970-х годов. [11] [13] кремниевый затвор КМОП (комплементарный МОП) PCM кодек-фильтр чип, разработанный Hodges и WC Black в 1980 году, [11] с тех пор был промышленным стандартом для цифровой телефонии . [11] [13] К 1990-м годам телекоммуникационные сети, такие как коммутируемая телефонная сеть общего пользования (PSTN), были в значительной степени оцифрованы с использованием кодек-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 носители цифрового шлейфа , мультиплексоры с усилением пары , расширители телефонных шлейфов , 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 .[13] Полоса пропускания цифровых телекоммуникационных сетей быстро растет по экспоненте, какотмечено законом Edholm в , [14] в значительной степени обусловлено быстрым масштабированием и миниатюризации технологии MOS. [15] [11]

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 (очень крупномасштабная интеграция ) субмикронного MOSFET ( полевого транзистора металл-оксид-полупроводник ) 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. Первоначально работа Абиди вызвала скептицизм со стороны 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 . [16]

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 радиоприемопередатчики во всех беспроводных сетевых устройствах и современных мобильных телефонах массово производятся как устройства RF CMOS. [16]

Процессоры основной полосы частот [17] [18] и радиопередатчики во всех современных беспроводных сетевых устройствах и мобильных телефонах массово производятся с использованием устройств RF CMOS. [16] РЧ-КМОП-схемы широко используются для передачи и приема беспроводных сигналов в различных приложениях, таких как спутниковые технологии (например, GPS ), Bluetooth , Wi-Fi , связь ближнего поля (NFC), мобильные сети (например, как 3G , 4G и 5G ), наземное вещание иавтомобильные радары , среди прочего. [19] Технология RF CMOS имеет решающее значение для современной беспроводной связи, включая беспроводные сети и устройства мобильной связи . [20]

См. Также [ править ]

  • Аналоговый интерфейс
  • RFIC
  • RF CMOS (используется для RF схем в беспроводной связи)

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. ^ "Microsemi Fusion ПЛИС смешанного сигнала"
  6. ^ «Электронное проектирование, автоматизация испытаний и измерительное оборудование» . Keysight Technologies .
  7. ^ "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
  8. ^ "Проблемы с шумом подложки в конструкциях микросхем со смешанными сигналами с использованием Spice" Сингх, Р.; Сали, С. 1997
  9. ^ "ИС смешанного сигнала объединяет 14-битный АЦП с DSP в 0,18-мкм CMOS"
  10. ^ Малоберти, Франко; Дэвис, Энтони С. (2016). «История электронных устройств» (PDF) . Краткая история схем и систем: от экологичных, мобильных, повсеместных сетей до вычислений больших данных . IEEE Circuits and Systems Society . С. 59-70 (65-7). ISBN  9788793609860.
  11. ^ 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 вычислений больших данных . IEEE Circuits and Systems Society . С. 105–110. ISBN  9788793609860.
  12. ^ Электронные компоненты . Типография правительства США . 1974. стр. 46.
  13. ^ 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.
  14. ^ Черри, Стивен (2004). «Закон Эдхольма полосы пропускания». IEEE Spectrum . 41 (7): 58–60. DOI : 10.1109 / MSPEC.2004.1309810 .
  15. ^ Джиндэл, Ренук P. (2009). «От миллибит до терабит 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.
  16. ^ 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 . 
  17. ^ Чен, Вай-Кай (2018). Справочник СБИС . CRC Press . С. 60–2. ISBN 9781420005967.
  18. ^ Моргадо, Алонсо; Рио, Росио дель; Роза, Хосе М. де ла (2011). Нанометрические КМОП сигма-дельта модуляторы для программно-конфигурируемой радиосвязи . Springer Science & Business Media . п. 1. ISBN 9781461400370.
  19. ^ Veendrick, Гарри JM (2017). ИС нанометрового КМОП: от основ до ASIC . Springer. п. 243. ISBN. 9783319475974.
  20. ^ "Infineon достигает вехи вехи на веху переключателя RF Bulk-CMOS" . EE Times . 20 ноября 2018 . Проверено 26 октября 2019 года .

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/