stringtranslate.com

Интегральная схема со смешанным сигналом

Интегральная схема со смешанным сигналом: металлические области с правой стороны представляют собой конденсаторы, поверх которых расположены большие выходные транзисторы; левая сторона занята цифровой логикой.

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 ростом использования сотовых телефонов , телекоммуникаций , портативной электроники и автомобилей с электроникой и цифровыми датчиками .

Обзор

Интегральные схемы (ИС) обычно классифицируются как цифровые (например, микропроцессор ) или аналоговые (например, операционный усилитель ). ИС со смешанными сигналами содержат как цифровые, так и аналоговые схемы на одном кристалле, а иногда и встроенное программное обеспечение . ИС со смешанными сигналами обрабатывают как аналоговые, так и цифровые сигналы вместе. Например, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) является типичной схемой со смешанными сигналами.

Микросхемы смешанного сигнала часто используются для преобразования аналоговых сигналов в цифровые сигналы, чтобы цифровые устройства могли их обрабатывать. Например, микросхемы смешанного сигнала являются важными компонентами для FM-тюнеров в цифровых продуктах, таких как медиаплееры, которые имеют цифровые усилители. Любой аналоговый сигнал может быть оцифрован с помощью очень простого АЦП, и самые маленькие и энергоэффективные из них — это микросхемы смешанного сигнала.

Микросхемы со смешанными сигналами сложнее проектировать и производить, чем аналоговые или цифровые интегральные схемы. Например, эффективная микросхема со смешанными сигналами может иметь цифровые и аналоговые компоненты, имеющие общий источник питания. Однако аналоговые и цифровые компоненты имеют очень разные потребности в питании и характеристики потребления, что делает это нетривиальной целью при проектировании микросхем.

Функциональность смешанных сигналов включает в себя как традиционные активные элементы (например, транзисторы ), так и хорошо работающие пассивные элементы (например, катушки , конденсаторы и резисторы ) на одном чипе. Это требует дополнительного понимания моделирования и опций от производственных технологий. Высоковольтные транзисторы могут потребоваться в функциях управления питанием на чипе с цифровой функциональностью, возможно, с маломощной системой процессора CMOS . Некоторые передовые технологии смешанных сигналов могут позволить объединять аналоговые сенсорные элементы (например, датчики давления или диоды формирования изображений) на одном чипе с АЦП.

Обычно ИС со смешанными сигналами не обязательно нуждаются в самой быстрой цифровой производительности. Вместо этого им нужны более зрелые модели активных и пассивных элементов для более точного моделирования и проверки, например, для планирования тестируемости и оценки надежности. Поэтому схемы со смешанными сигналами обычно реализуются с большей шириной линий, чем самая высокая скорость и самая плотная цифровая логика, а технологии реализации могут отставать на два-четыре поколения от новейших технологий реализации только цифровых схем. Кроме того, для обработки смешанных сигналов могут потребоваться пассивные элементы, такие как резисторы, конденсаторы и катушки, для которых могут потребоваться специализированные металлические, диэлектрические слои или аналогичные адаптации стандартных процессов изготовления. Из-за этих конкретных требований ИС со смешанными сигналами и цифровые ИС могут иметь разных производителей (известных как литейные цеха ).

Приложения

Существует множество применений интегральных схем смешанного сигнала, 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, аэрокосмической и космической электронике, Интернете вещей (IoT), беспилотных летательных аппаратах (БПЛА), а также автомобильных и других электрических транспортных средствах. Схемы или системы смешанного сигнала, как правило, являются экономически эффективными решениями, например, для создания современной потребительской электроники и в промышленных, медицинских, измерительных и космических приложениях.

Примерами интегральных схем смешанного сигнала являются преобразователи данных, использующие дельта-сигма-модуляцию , аналого-цифровые преобразователи и цифро-аналоговые преобразователи, использующие обнаружение и исправление ошибок , а также цифровые радиочипы . Цифровые звуковые чипы также являются схемами смешанного сигнала. С появлением сотовых и сетевых технологий эта категория теперь включает в себя сотовые телефоны , программное радио и интегральные схемы маршрутизаторов LAN и WAN .

Проектирование и разработка

Обычно чипы со смешанными сигналами выполняют некоторую целую функцию или подфункцию в более крупной сборке, например, радиоподсистему сотового телефона или тракт считывания данных и логику управления лазерным SLED DVD- плеером . Микросхемы со смешанными сигналами часто содержат целую систему на кристалле . Они также могут содержать блоки памяти на кристалле (например, OTP ), что усложняет производство по сравнению с аналоговыми микросхемами. Микросхема со смешанными сигналами минимизирует внешние межсоединения между цифровой и аналоговой функциональностью в системе — обычно уменьшая размер и вес за счет минимизированной упаковки и меньшей подложки модуля — и, следовательно, повышает надежность системы.

Из-за использования как цифровой обработки сигналов, так и аналоговых схем, ИС со смешанными сигналами обычно проектируются для очень специфической цели. Их проектирование требует высокого уровня знаний и тщательного использования инструментов автоматизированного проектирования (САПР). Существуют также специальные инструменты проектирования (например, имитаторы смешанных сигналов) или языки описания (например, VHDL-AMS ). Автоматизированное тестирование готовых чипов также может быть сложным. Teradyne , Keysight и Advantest являются основными поставщиками испытательного оборудования для чипов со смешанными сигналами.

При производстве схем смешанных сигналов возникает ряд особых проблем:

Вариации

Устройства со смешанными сигналами доступны в качестве стандартных деталей, но иногда необходимы специально разработанные интегральные схемы (ASIC) для конкретных приложений . ASIC разрабатываются для новых приложений, когда появляются новые стандарты или когда в системе внедряются новые источники энергии [ необходимо разъяснение ] . Из-за своей специализации ASIC обычно разрабатываются только тогда, когда объемы производства оцениваются как высокие. Наличие готовых и протестированных аналоговых и смешанных сигнальных IP- блоков от литейных заводов или специализированных конструкторских бюро сократило разрыв в реализации ASIC со смешанными сигналами.

Существуют также смешанные сигнальные программируемые вентильные матрицы (ПЛИС) и микроконтроллеры . [примечание 1] В них тот же чип, который обрабатывает цифровую логику, может содержать смешанные сигнальные структуры, такие как аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, операционные усилители или блоки беспроводной связи. [8] Эти смешанные сигнальные ПЛИС и микроконтроллеры заполняют пробел между стандартными смешанными сигнальными устройствами, полностью настраиваемыми ASIC и встроенным программным обеспечением; они предлагают решение во время разработки продукта или когда объем продукта слишком мал, чтобы оправдать 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, программной поддержкой.

История

Схемы с коммутируемыми конденсаторами на МОП-транзисторах

MOSFET был изобретен в Bell Labs между 1955 и 1960 годами, после того как Фрош и Дерик открыли и использовали пассивацию поверхности диоксидом кремния для создания первых планарных транзисторов, первых, в которых сток и исток были расположены рядом на одной поверхности. [ 9] [10] [11] [12] [13] Изобретение Робертом Нойсом и Джеком Килби кремниевой интегральной схемы стало возможным благодаря планарному процессу, разработанному Жаном Эрни. [14] В свою очередь, планарный процесс Эрни был вдохновлен методом пассивации поверхности , разработанным в Bell Labs Карлом Фрошем и Линкольном Дериком в 1955 и 1957 годах. [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21]

Технология MOS в конечном итоге стала практичной для телефонных приложений с интегральной схемой смешанного сигнала MOS , которая объединяет аналоговую и цифровую обработку сигналов на одном кристалле, разработанном бывшим инженером Bell Дэвидом А. Ходжесом с Полом Р. Греем в Калифорнийском университете в Беркли в начале 1970-х годов. [22] В 1974 году Ходжес и Грей работали с RE Suarez над разработкой технологии схемы коммутируемого конденсатора MOS (SC), которую они использовали для разработки микросхемы цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), используя конденсаторы MOS и переключатели MOSFET для преобразования данных. [22] Микросхемы аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и ЦАП MOS были коммерциализированы к 1974 году. [23]

Схемы MOS SC привели к разработке микросхем кодека-фильтра импульсно-кодовой модуляции (PCM) в конце 1970-х годов. [22] [24] Микросхема кодека-фильтра CMOS (комплементарная MOS) PCM с кремниевым затвором , разработанная Ходжесом и WC Black в 1980 году, [22] с тех пор является отраслевым стандартом для цифровой телефонии . [22] [24] К 1990-м годам телекоммуникационные сети , такие как телефонная сеть общего пользования (PSTN), были в значительной степени оцифрованы с помощью сверхбольшой интеграции (VLSI) CMOS PCM кодеков-фильтров, широко используемых в электронных коммутационных системах для телефонных станций , частных телефонных станций (PBX) и систем телефонной связи (KTS); модемов на концах пользователей ; приложения для передачи данных , такие как цифровые носители петли , мультиплексоры усиления пар , удлинители телефонной петли , терминалы цифровой сети с интеграцией услуг (ISDN), цифровые беспроводные телефоны и цифровые сотовые телефоны ; и приложения, такие как оборудование для распознавания речи , хранение голосовых данных , голосовая почта и цифровые безленточные автоответчики . [24] Пропускная способность цифровых телекоммуникационных сетей быстро увеличивается экспоненциально, как это наблюдается в законе Эдгольма , [25] в значительной степени обусловлено быстрым масштабированием и миниатюризацией технологии MOS. [26] [22]

Схемы RF CMOS

Работая в Bell Labs в начале 1980-х годов, пакистанский инженер Асад Абиди работал над разработкой технологии субмикронной МОП-транзистора (металл-оксид-полупроводниковый полевой транзистор) СБИС ( сверхбольшая интеграция ) в Advanced LSI Development Lab вместе с Марти Лепселтером, Джорджем Э. Смитом и Гарри Болом. Будучи одним из немногих разработчиков схем в лаборатории, Абиди продемонстрировал потенциал технологии субмикронной МОП- интегральной схемы в высокоскоростных цепях связи и разработал первые МОП- усилители для скоростей передачи данных Гбит/с в оптоволоконных приемниках. Работа Абиди изначально была встречена скептически сторонниками арсенид-галлиевых и биполярных транзисторов , доминирующих технологий для высокоскоростных цепей в то время. В 1985 году он присоединился к Калифорнийскому университету в Лос-Анджелесе , где он стал пионером технологии КМОП-частот в конце 1980-х годов. Его работа изменила способ проектирования радиочастотных (РЧ) схем , перейдя от дискретных биполярных транзисторов к интегральным схемам КМОП . [27]

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, была широко принята в беспроводных сетях , поскольку мобильные телефоны начали широко использоваться. С 2008 года радиопередатчики во всех беспроводных сетевых устройствах и современных мобильных телефонах производятся серийно как устройства RF CMOS. [27]

Процессоры основной полосы частот [28] [29] и радиопередатчики во всех современных беспроводных сетевых устройствах и мобильных телефонах производятся серийно с использованием устройств RF CMOS. [27] Схемы RF CMOS 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, 3G , 4G и 5G ), наземное вещание и автомобильные радары , среди прочих применений. [30] Технология RF CMOS имеет решающее значение для современных беспроводных коммуникаций, включая беспроводные сети и устройства мобильной связи . [31]

Коммерческие примеры

Смотрите также

Примечания

  1. ^ ПЛИС со смешанными сигналами являются расширением программируемых аналоговых матриц .
  2. ^ Некоторые литейные заводы также могут иметь проектную службу или список партнеров, способных предоставить услуги по проектированию смешанных сигналов для своих технологий.

Ссылки

  1. ^ Сараджу Моханти , Проектирование наноэлектронных систем со смешанными сигналами, McGraw-Hill, 2015, ISBN 978-0071825719 и 0071825711. 
  2. ^ "Проектирование ИС со смешанными сигналами". цитата: "смешанные сигналы (ИС со смешанными аналоговыми и цифровыми цепями на одном кристалле)"
  3. ^ Марк Бернс и Гордон У. Робертс, «Введение в тестирование и измерение ИС со смешанными сигналами», 2001.
  4. ^ "ESS Mixed Signal Circuits" Архивировано 11 октября 2010 г. на Wayback Machine
  5. ^ Чанг, Дж. Дж.; Мёнхи Ли; Сунгёнг Юнг; Брук, МА; Джокерст, Н. М.; Уиллс, Д. С. (1999). «Полностью дифференциальный входной КМОП-усилитель с подавлением шума подложки смешанного сигнала для оптоэлектронных приложений». ISCAS'99. Труды Международного симпозиума IEEE 1999 года по схемам и системам СБИС (Кат. № 99CH36349) . Том 1. стр. 327–330. doi :10.1109/ISCAS.1999.777869. ISBN 0-7803-5471-0. S2CID  206955680.
  6. ^ Сингх, Р. (1997). «Проблемы шума подложки в конструкциях чипов со смешанными сигналами с использованием Spice». Международная конференция по электромагнитной совместимости . Т. 1997. С. 108–112. doi :10.1049/cp:19971128. ISBN 0-85296-695-4.
  7. ^ «ИС смешанных сигналов объединяет 14-битный АЦП с DSP в 0,18-мкм КМОП»
  8. ^ "Microsemi Fusion FPGA со смешанным сигналом"
  9. ^ US2802760A, Линкольн, Дерик и Фрош, Карл Дж., «Окисление полупроводниковых поверхностей для контролируемой диффузии», выпущено 1957-08-13 
  10. ^ Frosch, CJ; Derick, L (1957). «Защита поверхности и селективная маскировка во время диффузии в кремнии». Журнал электрохимического общества . 104 (9): 547. doi :10.1149/1.2428650.
  11. ^ Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой инженерии . Берлин, Гейдельберг: Springer-Verlag Berlin Heidelberg. стр. 321. ISBN 978-3-540-34258-8.
  12. ^ Лигенца, Дж. Р.; Спитцер, В. Г. (1960). «Механизмы окисления кремния в паре и кислороде». Журнал физики и химии твердого тела . 14 : 131–136. doi :10.1016/0022-3697(60)90219-5.
  13. ^ Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой инженерии . Springer Science & Business Media . стр. 120. ISBN 9783540342588.
  14. ^ Кристоф Лекюйер (2006). Создание Кремниевой долины: инновации и рост высоких технологий, 1930-1970 . MIT Press. стр. 214–252. ISBN 978-0-262-12281-8. fairchild planar Создание Кремниевой долины.
  15. ^ US2802760A, Линкольн, Дерик и Фрош, Карл Дж., «Окисление полупроводниковых поверхностей для контролируемой диффузии», выпущено 1957-08-13 
  16. ^ Хафф, Ховард; Риордан, Майкл (01.09.2007). «Фрош и Дерик: Пятьдесят лет спустя (Предисловие)». Интерфейс Электрохимического общества . 16 (3): 29. doi :10.1149/2.F02073IF. ISSN  1064-8208.
  17. ^ Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой инженерии . Springer Science & Business Media . стр. 120. ISBN 9783540342588.
  18. ^ Frosch, CJ; Derick, L (1957). «Защита поверхности и селективная маскировка во время диффузии в кремнии». Журнал электрохимического общества . 104 (9): 547. doi :10.1149/1.2428650.
  19. ^ Московиц, Сэнфорд Л. (2016). Инновации в области передовых материалов: управление глобальными технологиями в 21 веке. John Wiley & Sons . стр. 168. ISBN 978-0-470-50892-3.
  20. ^ Кристоф Лекюйер; Дэвид С. Брук; Джей Ласт (2010). Создатели микрочипа: документальная история Fairchild Semiconductor. MIT Press. С. 62–63. ISBN 978-0-262-01424-3.
  21. ^ Claeys, Cor L. (2003). Интеграция процессов ULSI III: Труды Международного симпозиума. Электрохимическое общество . С. 27–30. ISBN 978-1-56677-376-8.
  22. ^ abcdef Allstot, David J. (2016). "Фильтры с переключаемыми конденсаторами" (PDF) . В Maloberti, Franco; Davies, Anthony C. (ред.). Краткая история схем и систем: от экологичных, мобильных, всепроникающих сетей до вычислений на основе больших данных . IEEE Circuits and Systems Society . стр. 105–110. ISBN 9788793609860.
  23. ↑ Электронные компоненты. Типография правительства США . 1974. С. 46.
  24. ^ abc Floyd, Michael D.; Hillman, Garth D. (8 октября 2018 г.) [1-я публикация 2000 г.]. «Кодек-фильтры импульсно-кодовой модуляции». Справочник по коммуникациям (2-е изд.). CRC Press . стр. 26–1, 26–2, 26–3. ISBN 9781420041163.
  25. ^ Черри, Стивен (2004). «Закон Эдхольма о пропускной способности». IEEE Spectrum . 41 (7): 58–60. doi :10.1109/MSPEC.2004.1309810. S2CID  27580722.
  26. ^ Джиндал, Ренука П. (2009). «От миллибит до терабит в секунду и выше — более 60 лет инноваций». 2009 2-й Международный семинар по электронным приборам и полупроводниковым технологиям . С. 1–6. doi :10.1109/EDST.2009.5166093. ISBN 978-1-4244-3831-0. S2CID  25112828.
  27. ^ abc O'Neill, A. (2008). «Асад Абиди отмечен 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.
  28. ^ Чен, Вай-Кай (2018). Справочник по СБИС. CRC Press . С. 60–2. ISBN 9781420005967.
  29. ^ Моргадо, Алонсо; Рио, Росио-дель; Роза, Хосе М. де ла (2011). Нанометровые КМОП-сигма-дельта-модуляторы для программно-определяемой радиосвязи. Springer Science & Business Media . п. 1. ISBN 9781461400370.
  30. ^ Veendrick, Harry JM (2017). Нанометровые КМОП-ИС: от основ до ASIC. Springer. стр. 243. ISBN 9783319475974.
  31. ^ "Infineon Hits Bulk-CMOS RF Switch Milestone". EE Times . 20 ноября 2018 г. Получено 26 октября 2019 г.

Дальнейшее чтение