數(shù)字和存儲 IC 約占當(dāng)今全球約 3200 億美元的半導(dǎo)體市場的三分之二。這些 IC 由摩爾定律和尖端 CMOS 工藝技術(shù)驅(qū)動，每年都在降低成本并提高半導(dǎo)體器件的集成度。分立和模擬半導(dǎo)體約占全球半導(dǎo)體市場的五分之一，主要由較舊的半導(dǎo)體工藝技術(shù)提供服務(wù)，因為在較新的工藝節(jié)點中制造核心模擬組件的成本很高。

混合信號 IC 約占全球半導(dǎo)體市場的十分之一。這一估計取決于您如何計算混合信號 IC，它可以定義為集成了重要的模擬和數(shù)字功能以提供與模擬世界的接口的半導(dǎo)體器件。混合信號 IC 的主要示例包括片上系統(tǒng) （SoC） 設(shè)備；蜂窩、Wi-Fi、藍(lán)牙和無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò) （WPAN） 收發(fā)器；GPS、電視和AM/FM接收器；音頻和視頻轉(zhuǎn)換器；先進(jìn)的時鐘和振蕩器設(shè)備；網(wǎng)絡(luò)接口；以及最近的低速率 WPAN （LR-WPAN） 無線 MCU。當(dāng)所需的功能和模擬性能能夠以比分立或其他模擬方法更低的成本實現(xiàn)時，高度集成的混合信號 IC 解決方案通常會取代成熟的半導(dǎo)體市場中的傳統(tǒng)技術(shù)。更重要的是，高水平的混合信號集成極大地簡化了系統(tǒng)制造商所需的工程設(shè)計，使他們能夠?qū)Ｗ⒂诤诵膽?yīng)用并更快地進(jìn)入市場。

設(shè)計混合信號 IC

混合信號 IC 的設(shè)計和制造并不容易，尤其是當(dāng)它們包含 RF 功能時。存在一個龐大的獨立模擬和分立 IC 市場，因為模擬與數(shù)字 IC 的集成不是一個簡單、直接的過程。模擬和射頻設(shè)計通常被稱為“黑色藝術(shù)”，因為其中大部分通常是通過反復(fù)試驗完成的，而且通常是靠直覺完成的。然而，現(xiàn)代混合信號設(shè)計應(yīng)該始終被認(rèn)為比煉金術(shù)更科學(xué)。應(yīng)始終避免“蠻力”模擬集成，因為在 IC 開發(fā)中反復(fù)試驗是一個非常昂貴的過程。

混合信號設(shè)計中真正的“藝術(shù)”必須源于對底層物理交互方式的深刻理解。? 現(xiàn)象體現(xiàn)在復(fù)雜的系統(tǒng)中，結(jié)合以數(shù)字為中心的方法的穩(wěn)健而優(yōu)雅的設(shè)計方法。理想的方法將混合信號設(shè)計和數(shù)字信號處理統(tǒng)一起來，并能夠集成復(fù)雜、高靈敏度和高性能的模擬和數(shù)字電路，而無需進(jìn)行預(yù)期的折衷。細(xì)線數(shù)字 CMOS 工藝中強(qiáng)大的數(shù)字處理功能可用于校準(zhǔn)和補(bǔ)償模擬缺陷并減少不需要的相互作用，從而提高混合信號設(shè)備的速度、精度、功耗，并最終降低成本和可用性。

摩爾定律對于數(shù)字電路設(shè)計非常一致，每兩年在給定區(qū)域內(nèi)將晶體管數(shù)量翻一番，并且在深亞微米技術(shù)時代仍然部分適用。但是，該定律通常不適用于模擬電路，導(dǎo)致在模擬 IC 采用規(guī)模化技術(shù)方面存在顯著滯后。模擬設(shè)備仍在設(shè)計和制造的情況并不少見 o ?180 nm 技術(shù)及以上。現(xiàn)實情況是，工藝技術(shù)的縮放僅部分推動了模擬電路中的面積和功率縮放，有時甚至成為設(shè)計障礙。實際上，模擬縮放通常是由最小化不需要的影響（例如統(tǒng)計設(shè)備不匹配或材料界面缺陷導(dǎo)致的噪聲）驅(qū)動的，這是過程本身質(zhì)量改進(jìn)的結(jié)果。出于這個原因，混合信號設(shè)計人員更喜歡依賴那些落后于工藝技術(shù)前沿幾步之遙的工藝，這些工藝仍然可以通過依賴一些最新的技術(shù)進(jìn)步來提高設(shè)備質(zhì)量。換句話說，摩爾定律的模擬方面落后于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字方法。情況更加動態(tài)，

圖 1：以數(shù)字為中心的混合信號方法縮小了與摩爾定律極限的差距。

最適合混合信號 IC 設(shè)計的制造工藝節(jié)點落后于工藝技術(shù)的前沿，節(jié)點的選擇是多個因素的權(quán)衡，最終取決于包含的模擬和混合信號電路的數(shù)量設(shè)備。更準(zhǔn)確地說，更加以數(shù)字為中心的混合信號設(shè)計方法使設(shè)計人員能夠利用更先進(jìn)的工藝節(jié)點來解決模擬電路集成中最具挑戰(zhàn)性的商業(yè)問題之一——集成模擬以降低成本同時增加功能的能力。

物聯(lián)網(wǎng)和混合信號設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)聚合了物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，即非常低成本、智能和連接的傳感器和執(zhí)行器，用于在提高能源效率、安全、醫(yī)療保健、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)過程控制、運輸、和一般的宜居性。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點預(yù)計到 2020 年將達(dá)到 500 億臺設(shè)備，并可能在幾十年后達(dá)到一萬億的門檻。這些天文數(shù)字在工程、可制造性、能源消耗、維護(hù)以及最終我們環(huán)境的健康方面構(gòu)成了嚴(yán)重的限制。除了大量可用之外，所有這些物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點都必須非常小、節(jié)能且安全，并且消費者通常不容易接觸到它們進(jìn)行維護(hù)。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點通常必須使用非常小的紐扣電池運行十年或更長時間，或者可能依賴能量收集技術(shù)。

這些應(yīng)用要求使物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點成為非常先進(jìn)的以數(shù)字為中心的混合信號設(shè)計技術(shù)的最終候選者。理想的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點將需要最先進(jìn)的混合信號電路來連接傳感器和執(zhí)行器。它們必須包括射頻連接，使用非常節(jié)能的無線協(xié)議，并且需要最少的外部組件。它們還必須包括功率轉(zhuǎn)換器，以優(yōu)化功率效率并應(yīng)對不同的電池化學(xué)或能源，所有這些特性通常可以通過更成熟的工藝節(jié)點獲得。同時，這些物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點將需要適度復(fù)雜、超低功耗的計算資源和內(nèi)存來存儲和執(zhí)行應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件，這最好通過更精細(xì)的技術(shù)來解決。這種范式的當(dāng)前實例是一種混合信號 IC，它被廣泛稱為無線 MCU：一種易于使用、占地面積小、節(jié)能且高度集成的連接計算設(shè)備，具有傳感和驅(qū)動能力。

超低功耗無線 MCU 的普及對于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展至關(guān)重要。無線 MCU 為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點提供大腦、傳感和連接，從無線安全傳感器到數(shù)字照明控制。混合信號設(shè)計的藝術(shù)和科學(xué)是開發(fā)下一代無線 MCU 的關(guān)鍵推動力，它連接了模擬、射頻和數(shù)字世界，并最大限度地利用摩爾定律的力量，而不會影響性能、成本、尺寸、或功耗。

審核編輯：郭婷