ミックスドシグナル集積回路とは

最も基本的な意味において、信号とは、空気や光などの媒体を介してあるシステムから別のシステムへと伝達される情報を指します。例えば、音声は空気を通じて伝達されます。

電気的な入力信号や出力信号は、バッテリー、センサー、モーター、アクチュエータ、コンバータ、回路など、実に多様な工学分野で利用されており、これにより情報の操作はほぼ無限に可能となっています。

アナログ信号とは、無限の値をとることができる、連続的で時間とともに変化する信号のことです。これらは、電圧、周波数、電流といった物理的性質の変化を利用して情報を伝達します。例えば、私たちの目は、光（連続的な波形を持つアナログ信号）の変化を通じて情報を受け取り、周囲の世界を理解しています。

周波数変調（FM）と振幅変調（AM）は、アナログ伝送の2つの方式です。その名称が示す通り、FMは周波数を変化させて情報を伝送するのに対し、AMは振幅を変化させて情報を伝送します。

アナログ信号は、音声や映像の伝送、あるいは温度、光、音といった物理的な「現実世界」の情報を伝送するのに適しています。アナログ信号は、一般的に無線、水、またはケーブル（ツイストペア、同軸、光ファイバー）を介して伝送されます。アナログ信号を捕捉するデバイスには、電話、ボイスレコーダー、温度センサー、制御システムなどがあります。

アナログ信号:

• 密度が高い（つまり、より多くの情報を伝達する）
• 帯域幅への負荷が少ない
• より安価で処理が容易

IC基板上のアナログコンポーネントとしては、オペアンプ、抵抗器、コンデンサ、トランジスタなどがあります。

対照的に、デジタル信号は離散的であり、有限個の値しかとらない。実際、デジタル信号はアナログ信号の一種であり、アナログ信号に含まれる情報の一部のみを伝達する。通常、デジタル信号は2進形式（0と1）で符号化され、電圧、偏光、磁化などの量の「オン」状態と「オフ」状態を表す。

デジタル信号は、無線通信、コンピュータバス、ストレージメディア、ネットワーク、データ通信で一般的に使用されます。

デジタル信号:

• 暗号化が容易
• アップグレードと構成が容易
• 長距離の信号処理に最適で、信号の品質を維持します シグナル・インテグリティ

デジタル回路基板に一般的に搭載される部品には、マイクロコントローラ（MCU）やデジタル信号プロセッサ（DSP）などがあります。また、デジタル回路は同期式であり、基準クロックによって動作が調整されます。これは、入力時点で情報が処理される非同期式のアナログ回路とは対照的です。

多くの集積回路（IC）は、小型の電子部品を1つの微小なチップ上に集積しており、さまざまな用途に対応しています。これらには、デジタルIC、アナログIC、ミックスドシグナルIC、および特定用途向け集積回路（ASIC）などが含まれます。

しかし、実際の応用においては、これらのICを組み合わせて目的の成果を得るケースが頻繁に見られます。例えば、ASICやマイクロコントローラは、デジタル回路とアナログ回路の両方を備えており、実質的にはミックスドシグナル集積回路と言えます。

アナログ回路とデジタル回路を組み合わせたミックスドシグナルICにより、柔軟性の高い高度な半導体チップを設計および開発できます。

ミックスドシグナルICは、受動素子（コンデンサなど）と能動素子（電源管理に使用される高電圧トランジスタなど）を組み合わせて、精度と性能の最適なバランスを達成します。

アナログ・ミックスドシグナル・チップは、単一のチップ設計上でアナログ信号とデジタル信号をシームレスに統合し、アナログセンサーとデジタルプロセッサ間の円滑な通信を保証します。これは次世代の電子機器を支える基盤となり、IoTネットワークなどを駆動しています。これらのチップには、次のようなものがあります：

• 高周波集積回路（RFIC）：RFICは、高周波アナログ設計 の手法とマイクロ波回路設計の手法を組み合わせ、変調器／復調器、増幅器、発振器、フィルタ、ミキサなどを単一のチップ上に集積したものです。これらは、携帯電話から無線通信、ナビゲーションシステムに至るまで、幅広い無線通信システムを支えています。
• メモリチップ：メモリチップとは、数百万個のコンデンサとトランジスタを組み込んだミックスドシグナル集積回路であり、情報を一時的に（ランダムアクセスメモリ）または恒久的に（リードオンリーメモリ）保存するものです。
• 電圧レギュレータ：電圧レギュレータとは、3本（またはそれ以上）のピンを備えた集積回路であり、より大規模な集積回路内で電圧レベルを一定に保つ役割を果たします。スイッチング型電圧レギュレータを構成する部品には、トランジスタスイッチ、ダイオード、コンデンサ、およびインダクタが含まれます。
• 電源管理用集積回路（PMIC）：PMICは、複数の電圧レギュレータと制御回路を単一のチップ上に集積した、高効率な電源デバイスです。エッジ・コンピューティング 、モノのインターネット（IoT）、自動運転車、電気自動車など、幅広いアプリケーションに電力を供給しています。

ミックスドシグナルICの重要な用途は、実世界の物理的な（アナログ）信号を機械可読形式（デジタル）に変換することです。

そのため、ADCは、映像・音響機器、温度・圧力・動作センサー、医療機器、通信システム、あるいはアナログ入力を処理する必要があるその他のデジタル機器などで広く使用されています。ADCについて覚えておくべきポイントをいくつか紹介します：

• アナログ信号をデジタル信号に変換するには、標本化（サンプリング）、量子化、符号化の3つの手順があります。
• サンプリングレートとは、連続的なアナログ信号から1秒間に取得されるサンプル数を指します。これは、生成されるデジタル信号の品質に影響を与える重要な指標です。サンプリングレートは、サンプリング対象となる媒体によって異なります。例えば、電話では8 kHz（1秒あたり8,000サンプル）、インターネット電話（VoIP）では16 kHzとなります。
• 量子化の際、測定された信号の振幅は、2進形式で表現するために四捨五入されます。その結果、実際のアナログ信号の値と出力されるデジタル信号の値との間にわずかな違いが生じることがあり、これを量子化誤差と呼びます。

デジタル信号は、多くの場合、物理的な形式に変換される必要があります。この目的のためにDACが使用され、テレビやディスプレイではデジタル信号をアナログの映像に、スピーカーでは音に変換します。

DACの原理に関する重要点をいくつか上げます。

• 変換後の信号の品質に大きな影響を及ぼすのが、分解能、変換時間、基準値です。
• 分解能は、DACの最小出力単位を表します。
• 変換時間は、入力信号と出力信号の間の経過時間です。
• 基準値は、DACで達成可能な最高電圧を示しています。画像、動画、および視覚出力には低解像度・高周波数のDACが使用され、音声出力には高解像度・低周波数のDACが使用されます。

アナログおよびデジタルコンポーネントを半導体チップ上のシングルユニットADCおよびDACに集積する主な利点は、消費電力、帯域幅、および信号の歪みを削減できることです。

集積回路設計 フローとは、回路が（ファウンドリなどでの）量産段階に至るまでの設計プロセスを指します。集積回路設計 では、さまざまなツール、ソフトウェア（コンピュータ支援設計（CAD）など）、プロセス（電子設計自動化（EDA）など）、およびデバイスを使用して、プロセスのシミュレーションや最適化を行い、エラーを排除します。『集積回路設計 』では、次のように述べられています：

• デジタル集積回路の設計では、トランジスタスイッチや論理回路が統合されます。
• アナログ設計では、コンデンサ、トランジスタ、アンプ、ダイオードなどから伝送される、デジタル化されていないアナログ信号が統合されます。
• 無線周波数集積回路の設計（アナログ設計のサブセットと見なされることが多い）では、RF現象が支配的な数百キロヘルツを超える信号が統合されます。

ミックスドシグナル集積回路の設計では、上記のいずれの設計も組み合わせることが可能です。システム・オン・チップ（SoC）やシステム・イン・パッケージ（SiP）といった最新のアプローチでは、各分野の設計を単一のチップに統合しています。

こうした最新アプローチは、通信、センシング、処理、ストレージなど、さまざまな機能を実行する多機能デバイスで採用されることが増えています。

5G、LoRa、Wi-Fiなどの急速に進歩する無線通信技術、IoT、およびセンシング技術により、ますます複雑化するミックスドシグナルICが次々と登場している中、ミックスドシグナル設計では、設計目標を達成するために、電子設計自動化（EDA）ツールを活用しながら、多分野にわたるチームが連携して取り組むことが求められています。

一般的なミックスドシグナル設計フローは、以下で構成されます。

• デジタルおよびアナログ（またはRF）挙動シミュレーションを含む、領域固有の設計
• ミックスドシグナル解析
• レイアウト（アナログ設計の物理的レイアウトまたはデジタル設計の配置配線を含む）
• アセンブリおよび物理的検証
•  ミックスドシグナル機能検証
• テープアウト

ミックスドシグナル集積回路は、アナログ回路やデジタル回路に比べて設計が困難です。例えば、ミックスドシグナル回路では、アナログ部品とデジタル部品が同じ電源を共有する場合があります。しかし、それぞれの消費電力特性が大きく異なるため、これはミックスドシグナル設計において大きな課題となります。そのため、ミックスドシグナル回路の設計では、デジタル回路とアナログ回路間の配線を最小限に抑えることを目指しており、これにより重量やサイズの削減という追加の利点も得られます。

さらに、ミックスドシグナル半導体チップは通常、より大規模なアセンブリ（スマートフォンの無線サブシステムなど）内で動作し、多くの場合SoCが組み込まれており、場合によってはオンチップメモリブロックも組み込まれている。これにより、ミックスドシグナルチップの製造はさらに複雑になる。

ミックスドシグナル集積回路の製造には、他にも複雑な問題があります。

• デジタル回路の設計手法は、アナログ回路に比べてはるかに進歩しています。デジタル回路の設計はかなりの程度まで自動化できますが、アナログ回路の場合はそうはいきません。そのため、いくつかの制約が生じます。
• 急速に変化するデジタル信号は、感度の高いアナログ入力でノイズを生じさせるため、結果として基板結合が発生します。
• 相補型金属酸化膜半導体（CMOS）トランジスタ技術はデジタル回路との相性が良い一方、バイポーラトランジスタ技術はアナログ回路に適している。このため、近年BiCMOS（バイポーラCMOS）などの技術が開発されるまでは、ミックスドシグナル集積回路設計 において課題となっていた。
• ミックスドシグナル集積回路は特定のユースケース向けに設計されることが多く、テストには時間とコストがかかるため、そうした点も課題となっています。

エレクトロマイグレーション また、電圧降下 は、ミックスドシグナル設計における主な故障原因となっています。したがって、設計者はこうした追加的な複雑性を理解しておく必要があります。

また、自動テストはミックスドシグナル集積回路の設計では課題となるため、エンジニアは設計をテストするために、Totem-SCなど、コンピュータ支援設計（CAD）に特化したソフトウェアを使用する必要があります。

Totem-SCは、Totem のクラウド・ネイティブ 版であり、トランジスタレベルおよびミックスドシグナル設計向けの、半導体業界におけるゴールドスタンダードとされるマルチフィジックス サインオフソリューションです。ファウンドリ認定（3nmまでのすべてのfinFET プロセスを対象）を受けた、シリコンと相関したシミュレーション結果により、エンジニアは自身の設計が最適な性能を発揮することを確信できます。

現代の半導体技術は、消費電力、性能、面積（PPA）の面で驚異的な高みに達している一方で、チップ設計プロセスには多大な複雑さがもたらされており、デジタルとアナログの仕様を統合する必要性がますます高まっている。

その結果、ミックスドシグナル集積回路は、センサー、撮像装置、産業用制御および電源管理、自動車アプリケーション、IoT、医療などのさまざまな機器に電力を供給しています。

ミックスドシグナル集積回路が実装されるデバイス例:

• シリアライザー／デシリアライザ（SerDes）
• アナログ-デジタルコンバータ
• デジタル-アナログコンバータ
• 電源管理集積回路
• 高帯域幅メモリ（HBM）
• ダイナミックランダムアクセスメモリ（DRAM）
• 組込みメモリシステム
• フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）
• セルラー方式通信における音声プロセッサ
• モノのインターネット（IoT）ネットワークにおける温度センサー、圧力センサー、その他のセンサー

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