Sekoitettu signaali integroitu piiri - Mixed-signal integrated circuit

Integroitu signaalipiiri: metallisivut oikealla puolella ovat kondensaattoreita, joiden päällä suuret lähtötransistorit ja vasen puoli on digitaalisen logiikan käytössä

Sekoitettu-signaali integroitu piiri on mikä tahansa integroitu piiri , jolla on sekä analogisia piirejä ja digitaalisia piirejä yhdellä puolijohdesirun.

Todellisissa sovelluksissa sekoitettu-signaali mallit ovat kaikkialla, esimerkiksi älykkäät matkapuhelimet , anturi järjestelmiä on-chip standardoitu digitaalinen liitännät (kuten I2C , UART , SPI, CAN jne.), Ääni liittyvän signaalin käsittely, ilmailu- ja tilaa elektroniikka, esineiden internet , miehittämättömät ilma -alukset (UAV), autot ja muut sähköajoneuvot. Sekoitetut signaalipiirit käsittelevät myös sekä analogisia että digitaalisia signaaleja yhdessä. Esimerkiksi analogia-digitaalimuunnin (ADC) on tyypillinen sekoitussignaalipiiri. Sekoitetut signaalipiirit tai järjestelmät ovat tyypillisesti kustannustehokkaita ratkaisuja nykyaikaisten kulutuselektroniikka- , teollisuus-, lääketieteellisten, mittaus-, avaruus- jne. Sovellusten rakentamiseen. Sekoitettu integroitu piiri voi sisältää myös sirun muistilohkoja, kuten OTP: tä , mikä vaikeuttaa valmistusta verrattuna analogisiin IC-laitteisiin. Sekoitettu integroitu piiri minimoi sirun ulkopuoliset yhteydet järjestelmän digitaalisten ja analogisten toimintojen välillä, tyypillisesti toteutuksen koko ja paino, koska pakkaus on minimoitu ja emolevy ( PWB / PCB , moduulialusta jne.) Pienempi ja lisää siten luotettavuutta järjestelmästä.

Sekoitettuja signaalilaitteita on saatavana vakio-osina, mutta räätälöidyt sovelluskohtaiset integroidut piirit (ASIC) on suunniteltu uusiin sovelluksiin tai jos uusia standardeja on syntymässä tai järjestelmään on otettu käyttöön uusia energialähteitä ja tuotantomäärien arvioidaan olevan olla korkea. Valmiiden tai erikoistuneiden talojen valmiiden ja testattujen analogisten ja sekamuotoisten signaalien IP -lohkojen saatavuus on pienentänyt kuilua, jotta voidaan saavuttaa sekamuotoisia ASIC -signaaleja. Samalla digitaalisella logiikalla varustetulla sirulla on myös muutamia sekoitussignaalisia FPGA-laitteita ja mikro-ohjaimia , jotka tyypillisesti voivat sisältää analogia-digitaalinen ja digitaalinen-analogimuunnin (-muuntimet), operaatiovahvistimet, jopa langattoman yhteyden lohkot jne. Sekasignaaliset FPGA: t ovat kenttäohjelmoitavien analogisten matriisien laajennus . Nämä sekoitussignaaliset FPGA -laitteet ja mikro -ohjaimet tasaavat kuilun tavallisten sekoitussignaalilaitteiden, täysin mukautettujen ASIC -laitteiden ja mahdollisesti sulautetun ohjelmistomaailman välillä, kun tuotteita kehitetään tai äänenvoimakkuus on liian pieni tehokasta ASIC -toteutusta varten. Tyypillisesti tämän tyyppisillä FPGA -laitteilla ja mikro -ohjaimilla voi kuitenkin olla vähän suorituskykyrajoituksia, kuten ADC -laitteiden resoluutio, digitaalisen analogian muuntamisen nopeus (DAC) ja rajoitettu määrä tuloja ja lähtöjä jne. Näistä mahdollisista rajoituksista huolimatta sekoitetut signaalit FPGA ja mikrokontrollerit voivat nopeuttaa järjestelmäarkkitehtuurin suunnittelu, prototyyppien luominen ja jopa pienten ja keskisuurten tuotteiden tuotanto. Ne voidaan myös varmuuskopioida kehitystaulujen, kehitysyhteisön ja mahdollisesti myös ohjelmistotuen avulla.

Johdanto

Analogisekoitettu signaalijärjestelmä sirulla (AMS-SoC) voi olla yhdistelmä analogisia piirejä, digitaalisia piirejä, luontaisia ​​sekoitussignaalipiirejä (kuten ADC: itä) ja joissakin tapauksissa mahdollisesti myös sulautettuja ohjelmistoja .

Integroitu piiri (IC) luokitellaan yleensä digitaaliseksi (esim. Mikroprosessori) tai analogiseksi (esim. Operaatiovahvistin). Sekoitetut signaalipiirit ovat siruja, jotka sisältävät sekä digitaalisen että analogisen piirin samalle sirulle. Tämä sirukategoria on kasvanut dramaattisesti erityisesti 3G- , 4G- , 5G- jne. Matkapuhelimien ja muiden kannettavien tekniikoiden käytön lisääntyessä sekä anturien ja elektroniikan lisääntymisen myötä autoissa.

Monisignaalisia IC: itä käytetään usein analogisten signaalien muuntamiseen digitaalisiksi signaaleiksi, jotta digitaaliset laitteet voivat käsitellä niitä. Esimerkiksi sekoitussignaaliset IC: t ovat olennaisia ​​komponentteja digitaalisten tuotteiden, kuten mediasoittimien, FM-virittimille, joissa on digitaaliset vahvistimet. Mikä tahansa analoginen signaali (kuten FM-radiolähetys, valoaalto tai ääni) voidaan digitoida käyttämällä hyvin yksinkertaista analogia-digitaalimuunninta, ja pienin ja energiatehokkain niistä olisi sekoitussignaalin muodossa IC: t.

Sekasignaalisia IC: itä on vaikeampi suunnitella ja valmistaa kuin vain analogisia tai vain digitaalisia integroituja piirejä. Esimerkiksi tehokkaan segasignaalisen IC: n digitaaliset ja analogiset komponentit jakavat yhteisen virtalähteen. Analogisilla ja digitaalisilla komponenteilla on kuitenkin hyvin erilaiset tehontarpeet ja kulutusominaisuudet, mikä tekee tästä ei-triviaalin tavoitteen sirun suunnittelussa.

Sekoitetun signaalitoiminnon toteuttaminen edellyttää valmistustekniikoiden lisäksi perinteisiä aktiivisia (erilaisia ​​transistoreita) lisäksi vaihtoehtoja ja mallintamista ymmärtämään hyvin toimivat passiiviset elementit, kuten kelat, kondensaattorit ja vastukset samalla sirulla, jossa on digitaalinen toiminnallisuus. Suurjännitetransistoreita saatetaan tarvita saman sirun virranhallintatoiminnoissa digitaalisen toiminnallisuuden kanssa mahdollisesti pienitehoisen CMOS -prosessorijärjestelmän kanssa. Jotkin edistykselliset sekoitussignaalitekniikat voivat mahdollistaa jopa analogiset anturielementit, kuten paineanturit tai kuvantamisdiodit samalla sirulla analogisen digitaalimuuntimen kanssa. Tyypillisesti sekoitetun signaalin IC: t eivät välttämättä tarvitse nopeinta digitaalista suorituskykyä, mutta tarvitsevat aktiivisempien ja passiivisten elementtien kypsempiä malleja tarkempien simulaatioiden ja todentamisen varmistamiseksi, kuten testattavuuden suunnittelua ja luotettavuuden arviointia varten. Siksi sekoitussignaalipiirit toteutetaan tyypillisesti suuremmilla linjaleveyksillä kuin suurin nopeus ja tihein digitaalinen logiikka, ja toteutustekniikat voivat olla 2-4 solmua uusimpien digitaalisten toteutustekniikoiden takana. Lisäksi sekoitettu signaalinkäsittely voi vaatia passiivisia elementtejä, kuten vastuksia, kondensaattoreita ja kelaa, jotka voivat vaatia erityisiä metalli- tai dielektrisiä kerroksia tai vastaavia. Näiden erityisvaatimusten vuoksi sekoitettujen signaalilaitteiden valimoiden valmistajat voivat olla erilaisia ​​kuin digitaalisten IC -valmistajien tai valimoiden.

Esimerkkejä

Tyypillisesti, mixed-signaali sirut tehdä joitakin koko toiminnon tai alitoiminnon suurempaa kokonaisuutta, kuten radio osajärjestelmän matkapuhelin , tai luetun datan syötön ja laser kelkka ohjauslogiikka on DVD- soitin. Ne sisältävät usein koko järjestelmän sirulla .

Esimerkkejä sekoitetuista integroiduista piireistä ovat delta-sigma-modulaatiota käyttävät datamuuntimet , virheiden havaitsemista ja korjausta käyttävä analogia-digitaalimuunnin / digitaalinen-analogimuunnin sekä digitaaliset radio- sirut. Digitaalisesti ohjatut äänisirut ovat myös sekoitussignaalipiirejä. Matkapuhelintekniikan ja verkkotekniikan myötä tämä luokka sisältää nyt matkapuhelimen , ohjelmistoradion , LAN- ja WAN -reitittimen integroidut piirit.

Sekä digitaalisen signaalinkäsittelyn että analogisten piirien käytön vuoksi sekoitetut signaalipiirit on yleensä suunniteltu erityistarkoituksiin, ja niiden suunnittelu vaatii korkeatasoista asiantuntemusta ja tietokoneavusteisten suunnittelutyökalujen (CAD) huolellista käyttöä . On myös olemassa erityisiä suunnittelutyökaluja, kuten sekoitettuja signaalisimulaattoreita tai kuvauskieliä, kuten VHDL-AMS . Myös valmiiden sirujen automaattinen testaus voi olla haastavaa. Teradyne , Keysight ja Advantest ovat sekoitussignaalien testauslaitteiden tärkeimmät toimittajat.

Sekoitetun signaalin erityisiä haasteita ovat:

  • CMOS- tekniikka on yleensä optimaalinen digitaaliseen suorituskykyyn ja skaalaukseen, kun taas bipolaariset transistorit ovat yleensä optimaalisia analogiselle suorituskyvylle, mutta viimeiseen vuosikymmeneen asti on ollut vaikeaa yhdistää nämä kustannustehokkaasti tai suunnitella sekä analogisia että digitaalisia yhdeksi tekniikaksi ilman vakavaa suorituskykyä kompromisseja. Korkean suorituskyvyn CMOS- , BiCMOS- , CMOS SOI- ja SiGe -tekniikoiden tulo on poistanut monet aiemmin tehdyistä kompromisseista.
  • Sekoitussignaalipiirien toiminnallisen toiminnan testaaminen on edelleen monimutkaista, kallista ja usein "kertaluonteista" toteutustehtävää.
  • Digitaalisiin suunnittelumenetelmiin verrattavat systemaattiset suunnittelumenetelmät ovat paljon primitiivisempiä analogisilla ja sekamuotoisilla signaaleilla. Analogisen piirin suunnittelua ei yleensä voida automatisoida lähes siinä määrin kuin digitaalisen piirin suunnittelua. Näiden kahden tekniikan yhdistäminen moninkertaistaa tämän komplikaation.
  • Nopeasti muuttuvat digitaaliset signaalit lähettävät kohinaa herkille analogituloille. Yksi reitti tälle melulle on alustan kytkentä . Tämän kohinakytkennän estämiseksi tai peruuttamiseksi käytetään erilaisia ​​tekniikoita, kuten täysin differentiaalivahvistimet , P+ -suojarenkaat, differentiaalitopologia, sirun irrottaminen ja kolminkertainen eristys.

Useimmat nykyaikaiset radio- ja tietoliikennevälineet käyttävät sekamuotoisia piirejä.

Kaupallisia esimerkkejä

Historia

MOS-kondensaattoripiirit

Lisätietoja: Kytketty kondensaattori ja digitaalinen puhelin

Metalli-oksidi-puolijohde-FET-transistori (MOSFET, tai MOS-transistori), keksi Mohamed M. Atalla ja Dawon Kahng on Bell Telephone Laboratories vuonna 1959, ja MOS-integroitu piiri (MOS IC) sirua ehdotettu pian sen jälkeen, mutta MOS alunperin unohdetaan Bell, koska he eivät löydä sitä käytännöllistä analogisen puhelimen sovellukset, ennen kuin se kaupallistanut Fairchild ja RCA varten digitaalisen elektroniikan , kuten tietokoneisiin . MOS lopulta tuli käytännöllinen puhelinliikenteen sovelluksia MOS sekoitettu-signaali integroitu piiri , joka yhdistää analoginen ja digitaalinen signaalinkäsittely yhteen siruun kehittämä entinen Bell insinööri David A. Hodges Paul R. Gray klo Berkeleyn 1970-luvun alussa . Vuonna 1974 Hodges ja Gray työskentelivät yhdessä RE Suarezin kanssa kehittääkseen MOS- kytkettyjen kondensaattoreiden (SC) piiritekniikan, jota he käyttivät digitaalisen analogiamuuntimen (DAC) sirun kehittämiseen käyttäen MOS-kondensaattoreita ja MOSFET-kytkimiä tietojen muuntamiseen. MOS- analogia-digitaalimuunnin (ADC) ja DAC-sirut kaupallistettiin vuoteen 1974 mennessä.

MOS SC -piirit johtivat pulssikoodimodulaation (PCM) koodekkisuodatinpiirien kehittämiseen 1970-luvun lopulla. Pii-portti CMOS (täydentävä MOS) PCM-koodekin-suodatin siru kehittämä Hodges ja WC Black 1980, on sittemmin ollut alan standardi digitaalisen puhelinverkon . Vuoteen 1990, tietoliikenneverkoissa kuten yleiseen puhelinverkkoon (PSTN) ei juurikaan enää ole digitoidaan hyvin-laajamittainen integrointi (VLSI) CMOS PCM-koodekin-suodattimia käytetään laajasti sähköisten kytkentäautomatiikat varten puhelinkeskusten , Private Branch vaihto ( PBX) ja keskeisten puhelinjärjestelmät (KTS); käyttäjä-end- modeemit ; tiedonsiirtosovellukset , kuten digitaalisen silmukan kantoaallot , parivahvistus multiplekserit , puhelinsilmukan laajennukset , integroidut palvelut digitaalisen verkon (ISDN) päätelaitteet, digitaaliset langattomat puhelimet ja digitaaliset matkapuhelimet ; ja sovellukset, kuten puheentunnistuslaitteet , äänidatan tallennus , puheposti ja digitaaliset nauhattomat puhelinvastaajat . Edholmin lain mukaan digitaalisten tietoliikenneverkkojen kaistanleveys on kasvanut nopeasti eksponentiaalisesti , mikä johtuu suurelta osin MOS -tekniikan nopeasta skaalauksesta ja pienentämisestä .

RF CMOS -piirit

Pääartikkeli: RF CMOS

Työskennellessään Bell Labsissa 1980-luvun alussa pakistanilainen insinööri Asad Abidi työskenteli kehittääkseen sub-mikronin MOSFET (metalli-oksidipuolijohdekenttävaikutransistori) VLSI (erittäin laajamittainen integrointi ) -teknologian Advanced LSI Development Labissa, yhdessä Marty Lepselterin, George E. Smithin ja Harry Bolin kanssa. Yksi harvoista piiri suunnittelijat laboratorioon, Abidi osoitti potentiaali alle mikronin NMOS- integroitu piiri teknologian nopea viestintä piirejä , ja kehitti ensimmäisen MOS- vahvistimet ja Gb / s siirtonopeuksia optista kuitua vastaanottimissa. Abidin työ suhtautui aluksi skeptisesti GaA: iden ja bipolaaristen risteystransistorien kannattajiin, jotka olivat tuolloin nopeiden piirien hallitseva tekniikka. Vuonna 1985 hän liittyi UCLA: hon , jossa hän oli edelläkävijä RF CMOS -tekniikassa 1980 -luvun lopulla. Hänen työnsä muutti tapaa, jolla RF -piirit suunnitellaan, poispäin erillisistä bipolaarisista transistoreista ja kohti CMOS -integroituja piirejä .

Abidi tutki analogisia CMOS -piirejä signaalinkäsittelyyn ja viestintään 1980 -luvun lopulta 1990 -luvun alkuun. 1990-luvun puolivälissä hänen edelläkävijänsä RF CMOS -tekniikka otettiin laajalti käyttöön langattomassa verkossa , kun matkapuhelimet alkoivat yleistyä. Vuodesta 2008 lähtien kaikkien langattomien verkkolaitteiden ja nykyaikaisten matkapuhelimien radiolähetinvastaanottimia valmistetaan massatuotantoina RF CMOS -laitteina.

Kantataajuuskaistasuorittimet ja radiolähetin-vastaanottimia kaikissa nykyisissä langattoman verkon laitteita ja matkapuhelimet ovat massatuotantona käyttämällä RF CMOS-laitteita. RF CMOS-piirejä käytetään laajalti lähettämään ja vastaanottamaan langattomia signaaleja, eri sovelluksissa, kuten satelliitti tekniikka (kuten GPS ), bluetooth , Wi-Fi , lähellä Field Communication (NFC), matkaviestinverkoissa (kuten 3G , 4G ja 5G ), maanpäälliset lähetykset ja autojen tutkasovellukset muun muassa. RF CMOS -tekniikka on ratkaisevan tärkeää nykyaikaiselle langattomalle viestinnälle, mukaan lukien langattomat verkot ja matkaviestintälaitteet .

Katso myös

Viitteet

Lue lisää