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 .
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 процессорной системой CMOS . 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 смешанных сигналов 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 ).
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. Звуковые чипы с цифровым управлением также представляют собой схемы со смешанными сигналами. С появлением сотовых и сетевых технологий в эту категорию теперь входят сотовые телефоны , программное радио , а также интегральные схемы маршрутизаторов LAN и WAN .
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 логике управления лазерным SLED 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:
Устройства со смешанными сигналами доступны в качестве стандартных деталей, но иногда необходимы специально разработанные интегральные схемы (ASIC) специального назначения . ASIC предназначены для новых приложений, когда появляются новые стандарты или когда в системе внедряются новые источники энергии [ необходимы разъяснения ] . 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 один и 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 заполняют пробел 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.
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 вскоре после этого была предложена интегральная МОП-схема (МОП-ИС). Однако технология MOS изначально не рассматривалась компанией Bell, поскольку они не сочли ее практичной для аналоговых телефонных приложений, прежде чем Fairchild и RCA коммерциализировали ее для цифровой электроники, такой как компьютеры . [9] [10] Технология МОП в конечном итоге стала практичной для телефонных приложений благодаря интегральной схеме МОП смешанных сигналов , 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 Калифорнийский университет в Беркли в начале 1970-х годов. [10] 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), используя МОП-конденсаторы и МОП-транзисторы для преобразования данных. . [10] Аналого-цифровой преобразователь МОП (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] Чип кодека-фильтра PCM с кремниевым затвором CMOS (дополнительный MOS), разработанный Ходжесом и У.К. Блэком в 1980 году, [10] с тех пор стал отраслевым стандартом для 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 CMOS PCM-кодеков-фильтров очень большой интеграции (VLSI), широко используемых в электронных системах коммутации для телефонной связи . телефонные станции , частные телефонные станции (АТС) и ключевые телефонные системы (КТС); пользовательские модемы ; приложения передачи данных , такие как операторы цифровой петли , мультиплексоры с парным коэффициентом усиления , удлинители телефонной линии , терминалы цифровой сети с интеграцией услуг (ISDN), цифровые беспроводные телефоны и цифровые сотовые телефоны ; и такие приложения, как оборудование для распознавания речи , хранилище речевых данных , голосовая почта и цифровые безленточные автоответчики . [12] Пропускная способность цифровых телекоммуникационных сетей быстро увеличивается в геометрической прогрессии, как это наблюдается по закону Эдхольма , [13] во многом обусловлено быстрым масштабированием и миниатюризацией MOS-технологии. [14] [10]
Работая в Bell Labs в начале 1980-х годов, пакистанский инженер Асад Абиди работал над разработкой субмикронной технологии MOSFET (металл-оксид-полупроводниковый полевой транзистор) СБИС (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 , где в конце 1980-х годов стал пионером технологии RF CMOS . Его работа изменила способ проектирования радиочастотных (РЧ) схем : 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] RF CMOS-схемы 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 устройства мобильной связи . [19]