혼합 신호 집적 회로란?

가장 기본적인 의미에서 신호란 공기나 빛과 같은 매체를 통해 한 시스템에서 다른 시스템으로 전달되는 정보를 말합니다. 예를 들어, 말은 공기를 통해 전달됩니다.

전기 입력 및 출력 신호는배터리,센서,모터, 액추에이터, 변환기, 회로 등 매우 다양한 공학 분야에서 사용되며, 이를 통해 정보를 거의 무한히 조작할 수 있게 해줍니다.

아날로그 신호는무한한 값을 가질 수 있는 연속적이고 시간에 따라 변화하는 신호입니다. 이 신호는 전압, 주파수, 전류와 같은 물리적 특성의 변화를 이용하여 정보를 전달합니다. 예를 들어, 우리의 눈은 빛(연속적인 파형 형태의 아날로그 신호)의 변화를 통해 정보를 받아들여 우리 주변의 세상을 인식합니다.

주파수 변조(FM)와 진폭 변조(AM)는 아날로그 전송의 두 가지 유형입니다. 이름에서 알 수 있듯이, FM은 주파수를 조절하여 정보를 전송하는 반면, AM은 진폭을 조절하여 정보를 전송합니다.

아날로그 신호는 오디오 및 비디오 전송이나 온도, 빛, 소리 등 물리적, 즉 “실제 세계”의 정보를 전송하는 데 적합합니다. 아날로그 신호는 일반적으로 무선, 수중, 또는 케이블(연선, 동축, 광케이블)을 통해 전송됩니다. 아날로그 신호를 수신하는 장치로는 전화기, 음성 녹음기, 온도 센서, 제어 시스템 등이 있습니다.

아날로그 신호:

• 밀도가 높음(예: 더 많은 정보 전달)
• 대역폭 집약도가 낮음
• 더 저렴하고 처리하기 용이함

집적 회로 기판의 아날로그 구성 요소에는 연산 증폭기, 저항기, 커패시터 및 트랜지스터가 있습니다.

반면, 디지털 신호는 이산적이며 유한한 수의 값만을 취합니다. 사실 디지털 신호는 아날로그 신호의 일부에 해당하며, 아날로그 신호에 포함된 정보 중 일부만을 전달합니다. 디지털 신호는 일반적으로 이진 형식(0과 1)으로 인코딩되며, 전압, 편광, 자화 등과 같은 양의 ‘켜짐’과 ‘꺼짐’ 상태를 나타냅니다.

디지털 신호는 일반적으로 무선 통신, 컴퓨터 버스, 저장 매체, 네트워킹 및 데이터 통신에 사용됩니다.

디지털 신호는 다음과 같습니다.

• 쉽게 암호화됨
• 간편한 업그레이드 및 구성
• 장거리 신호 처리에 이상적이며, 신호의 무결성을 유지합니다. 신호 무결성

디지털 회로 기판에 일반적으로 사용되는 부품으로는 마이크로컨트롤러(MCU)와 디지털 신호 처리기(DSP) 등이 있습니다. 또한 디지털 회로는 동기식이며, 이는 기준 클럭이 회로의 작동을 조정한다는 것을 의미합니다. 이는 정보가 입력 단계에서 처리되는 비동기식 아날로그 회로와 대조됩니다.

많은 집적회로(IC)는 소형 전자 부품을 하나의 초소형 칩에 집적하여 다양한 응용 분야를 지원합니다. 여기에는 디지털 IC,아날로그 IC, 혼합 신호 IC, 그리고특정 용도용 집적회로(ASIC)가 포함됩니다.

그러나 실제 응용 분야에서는 원하는 결과를 얻기 위해 이러한 집적회로들을 자주 결합하여 사용합니다. 예를 들어, ASIC과 마이크로컨트롤러는 디지털 회로와 아날로그 회로를 모두 포함하고 있으며, 사실상 혼합 신호 집적회로라고 할 수 있습니다.

혼합 신호 집적 회로는 아날로그 회로와 디지털 회로를 결합하여 반도체 칩 설계의 설계 및 개발에서 정교함과 유연성을 제공합니다.

혼합 신호 집적 회로는 수동 소자(예: 커패시터)와 능동 소자(예: 전력 관리에 사용되는 고전압 트랜지스터)를 결합하여 정확도와 성능 간의 최적의 균형을 목표로 합니다.

아날로그 혼합 신호 칩은 단일 칩 설계 내에서 아날로그 신호와 디지털 신호를 원활하게 통합하여, 아날로그 센서와 디지털 프로세서 간의 원활한 통신을 보장하며, IoT 네트워크 등을 구동하는 차세대 전자 기기의 기반을 마련합니다. 이러한 칩에는 다음이 포함됩니다:

• 고주파 집적회로(RFIC):RFIC는 고주파아날로그 설계 기법과 마이크로파 회로 설계 방법론을 결합하여, 변조기/복조기, 증폭기, 발진기, 필터 및 혼합기를 단일 칩에 집적합니다. RFIC는 이동통신부터 무선 통신, 내비게이션 시스템에 이르기까지 광범위한 무선 통신 시스템의 핵심 역할을 합니다.
• 메모리 칩: 메모리칩은 수백만 개의 커패시터와 트랜지스터가 집적된 혼합 신호 집적회로로, 정보를 일시적으로(랜덤 액세스 메모리) 또는 영구적으로(읽기 전용 메모리) 저장합니다.
• 전압 조정기:전압 조정기는 3개(또는 그 이상)의 핀을 갖춘 집적회로로, 더 큰 규모의 집적회로 내에서 일정한 전압 수준을 유지합니다. 스위칭 전압 조정기의 구성 요소로는 트랜지스터 스위치, 다이오드, 커패시터, 인덕터 등이 있습니다.
• 전원 관리 집적회로(PMIC): PMIC는여러 전압 조정기와 제어 회로를 단일 칩에 집적시킨 고효율 전원 공급 장치입니다. 이 장치는 엣지 컴퓨팅, 사물인터넷(IoT), 자율주행차, 전기차 등 다양한 분야에 전원을 공급합니다.

혼합 신호 집적 회로의 중요한 응용 분야는 물리적, 실제(아날로그) 신호를 기계가 읽을 수 있는(디지털) 형식으로 변환하는 것입니다.

따라서 ADC는 일반적으로 영상 및 오디오 장비, 온도·압력·모션 센서, 의료 기기, 통신 시스템, 또는 아날로그 입력을 처리해야 하는 그 밖의 모든 디지털 기기에서 널리 사용됩니다. ADC에 대해 기억해 두어야 할 몇 가지 사실은 다음과 같습니다.

• 아날로그에서 디지털로의 변환에는 샘플링, 양자화, 인코딩의 세 단계가 있습니다.
• 샘플링 속도는 연속적인 아날로그 신호에서 1초당 채취되는 샘플의 수를 나타냅니다. 이는 결과적인 디지털 신호의 품질에 영향을 미치는 중요한 수치입니다. 샘플링 속도는 샘플링 대상 매체에 따라 달라지는데, 예를 들어 전화의 경우 8kHz(초당 8,000개 샘플), 인터넷 전화(VoIP)의 경우 16kHz입니다.
• 양자화 과정에서 측정된 신호 진폭은 이진 형식으로 표현하기 위해 반올림됩니다. 그 결과, 실제 아날로그 신호 값과 출력된 디지털 신호 값 사이에 미세한 차이가 발생할 수 있는데, 이를 양자화 오차라고 합니다.

디지털 신호는 종종 물리적 형식으로 변환되어야 합니다. DAC는 이러한 목적으로 사용되며, TV나 화면에서는 디지털 신호를 아날로그 영상으로, 스피커에서는 소리로 변환합니다.

DAC에 관해 기억해야 할 몇 가지 사실은 다음과 같습니다.

• 해상도, 변환 시간 및 기준 값은 변환된 신호의 품질에 영향을 미치는 주요 요소입니다.
• 해상도는 DAC의 가장 작은 출력 증분을 나타냅니다.
• 변환 시간은 입력 신호와 출력 신호 사이의 경과 시간입니다.
• 기준값은 DAC에서 달성 가능한 최고 전압을 나타냅니다. 이미지, 비디오 및 시각 출력에는 저해상도/고주파 DAC가 사용되며, 오디오 출력에는 고해상도/저주파 DAC가 사용됩니다.

아날로그 및 디지털 구성 요소를 반도체 칩의 단일 장치 ADC 및 DAC에 통합할 때 얻을 수 있는 주요 이점은 전력 소비, 대역폭 및 신호 왜곡이 줄어든다는 것입니다.

집적 회로 설계 ‘플로우(flow)’는 회로가 (파운드리 등에서) 양산 준비가 완료될 때까지 설계하는 과정을 의미합니다. 전자 설계( 집적 회로 설계 )에서는 다양한 도구, 소프트웨어(컴퓨터 지원 설계 포함), 공정(전자 설계 자동화 포함) 및 장치를 활용하여공정을 시뮬레이션하고 최적화하며, 오류를 제거합니다. 집적 회로 설계 에 따르면:

• 디지털 집적 회로 설계는 트랜지스터 스위치와 논리 회로를 통합합니다.
• 아날로그 설계는 커패시터, 트랜지스터, 증폭기, 다이오드 및 기타 디지털화되지 않은 아날로그 신호를 통합합니다.
• 종종 아날로그 설계의 하위 집합으로 간주되는 무선 주파수 집적 회로 설계는 RF 현상이 지배적인 수백 kHz 이상의 신호를 통합합니다.

혼합 신호 집적 회로 설계는 앞서 언급한 설계 방식들을 자유롭게 결합할 수 있습니다.시스템 온 칩(SoC) 및시스템 인 패키지(SiP) 기술과 같은 현대적인 접근 방식은 각 분야의 설계를 단일 칩에 통합합니다.

이는 통신, 감지, 처리, 저장 등 다양한 기능을 수행하는 다기능 장치에 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

5G,LoRa, Wi-Fi 등을 포함한 급속히 발전하는 무선 통신 기술, IoT 및 센싱 기술로 인해 점점 더 복잡한 혼합 신호 IC가 등장함에 따라, 혼합 신호 설계에서는 설계 목표를 달성하기 위해 전자 설계 자동화(EDA) 도구를 활용하는 다학제적 팀의 협력이 필요합니다.

혼합 신호 설계 흐름에는 일반적으로 다음이 포함됩니다.

• 디지털 및 아날로그(또는 RF) 동작 시뮬레이션을 포함한 영역별 설계
• 혼합 신호 분석
• 아날로그 설계의 물리적 레이아웃 또는 디지털 설계의 배치 및 배선을 포함한 레이아웃
• 조립 및 물리적 검증
•  혼합 신호 기능 검증
• 테이프아웃

혼합 신호 집적 회로는 아날로그 회로나 디지털 회로보다 설계하기가 더 어렵습니다. 예를 들어, 혼합 신호 회로에서는 아날로그 및 디지털 소자가 동일한 전원 공급 장치를 공유할 수 있습니다. 그러나 각각의 전력 소비 특성이 매우 다르기 때문에, 이는 혼합 신호 설계에 있어 상당한 난제를 야기합니다. 따라서 혼합 신호 회로 설계는 디지털 회로와 아날로그 회로 간의 상호 연결을 최소화하는 것을 목표로 하며, 이를 통해 무게와 크기를 줄일 수 있는 추가적인 이점도 얻습니다.

게다가, 혼합 신호 반도체 칩은 일반적으로 더 큰 규모의 어셈블리(예: 스마트폰의 무선 서브시스템) 내에서 작동하며, 대개 SoC를 포함하고 때로는 온칩 메모리 블록도 포함합니다. 이로 인해 혼합 신호 칩의 제조 과정이 더욱 복잡해집니다.

혼합 신호 집적 회로 제조에는 다음과 같은 또 다른 복잡한 문제도 있습니다.

• 디지털 회로의 설계 방법론은 아날로그 회로에 비해 훨씬 더 발전해 있습니다. 디지털 회로 설계는 상당 부분 자동화될 수 있는 반면, 아날로그 회로의 경우 자동화 수준이 훨씬 낮아 여러 가지 제약이 따릅니다.
• 빠르게 변화하는 디지털 신호는 민감한 아날로그 입력에서 노이즈를 생성하여 기판 커플링이 발생할 수 있습니다.
• 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS)트랜지스터 기술은 디지털 회로와 잘 통합되는 반면, 바이폴라 트랜지스터 기술은 아날로그 회로에 더 적합합니다. 이로 인해 최근 몇 년간 BiCMOS(바이폴라 CMOS)와 같은 기술이 개발되기 전까지는 혼합 신호 집적 회로 설계 분야에서 문제가 제기되어 왔습니다.
• 혼합 신호 통합 IC 테스트는 특정 사용 사례에 맞게 제작되는 경우가 많기 때문에 여전히 어려운 일이며, 이로 인해 테스트 시간과 비용이 더 많이 듭니다.

전자이동 그리고 전압 강하 는 혼합 신호 설계에서 오류가 발생하는 주요 원인입니다. 따라서 설계자는 이러한 추가적인 복잡성을 이해해야 합니다.

또한 자동화된 테스트는 혼합 신호 IC 설계에 어려움을 주기 때문에 엔지니어는 Totem-SC와 같은 전문 컴퓨터 지원 설계(CAD) 소프트웨어를 사용하여 설계를 테스트합니다.

Totem-SC는 Totem 의 ‘ 클라우드 네이티브 ’ 버전으로, 반도체 업계에서 트랜지스터 레벨 및 혼합 신호 설계를 위한 표준으로 인정받는 Multiphysics 사인오프 솔루션입니다. 파운드리 인증(즉, 3nm까지의 모든 finFET 공정)을 받은 실리콘과 연동된 시뮬레이션 결과를 통해 엔지니어들은 설계의 최적 성능에 대해 확신을 가질 수 있습니다.

현대 반도체 기술은전력, 성능, 면적(PPA) 측면에서 눈부신 발전을 이루었지만, 동시에 칩 설계 과정에 상당한 복잡성을 초래했으며, 이 과정에서 디지털 및 아날로그 사양의 통합이 점점 더 요구되고 있다.

결과적으로 혼합 신호 집적 회로는 센서, 이미징 장비, 산업 제어 및 전력 관리, 자동차 애플리케이션, IoT, 의학 등의 점점 더 다양한 장치를 지원합니다.

혼합 신호 집적 회로를 통합하는 장치에는 다음이 포함됩니다.

• 직렬 변환기/역직렬 변환기(SerDes)
• 아날로그-디지털 변환기
• 디지털-아날로그 변환기
• 전원 관리 집적 회로
• HBM(High Bandwidth Memory, 고대역폭 메모리)
• DRAM(Dynamic Random Access Memory, 다이내믹 램)
• 임베디드 메모리 시스템
• FPGA(Field Programmable Gate Arrays, 필드 프로그래머블 게이트 어레이)
• 셀룰러 통신의 음성 프로세서
• 사물 인터넷(IoT) 네트워크의 온도, 압력 및 기타 센서

집적 회로 기판에서 발생하는 전기적, 열적, 기계적 문제를 해결하는 실제 작동 설계 사례를 확인하려면, 당사의 무료 보고서“인쇄 회로 기판 및 전자 패키지를 위한 전기-열 통합 설계( 기계적 응력 ) 레퍼런스 설계 흐름”을 읽어보시기 바랍니다.