什么是混合信号集成电路？

从最基本的定义来看，信号是指通过空气或光等介质从一个系统传输到另一个系统的信息。例如，语音就是通过空气传播的。

电气输入和输出信号被广泛应用于各种工程领域——包括电池、传感器、电机、执行器、转换器、电路等——从而实现了对信息的几乎无限的处理。

模拟信号是连续的、随时间变化的信号，可以取无限多个值。它们通过物理性质的变化（如电压、频率或电流）来传递信息。例如，我们的眼睛通过光的變化（一种连续的、呈波形变化的模拟信号）来接收信息，从而理解周围的世界。

频率调制（FM）和幅度调制（AM）是两种模拟传输方式。顾名思义，FM通过调节频率来传输信息，而AM则通过调节幅度来传输信息。

模拟信号非常适合用于音频和视频传输，或用于传输物理的、“现实世界”中的信息，例如温度、光和声音。模拟信号通常通过无线电、水或电缆（双绞线、同轴电缆或光缆）进行传输。能够捕获模拟信号的设备包括电话、录音机、温度传感器和控制系统。

模拟信号：

• 密度更高（即携带更多信息）
• 带宽占用较少
• 更低成本、更易于处理

集成电路板上的模拟组件包括运算放大器、电阻器、电容器和晶体管。

相比之下，数字信号是离散的，仅取有限个数值。实际上，数字信号是模拟信号的一个子集，只承载了模拟信号中的一部分信息。它们通常采用二进制文件 格式（0和1）进行编码，表示电压、极化或磁化等量的开/关状态。

数字信号通常用于无线通信、计算机总线、存储介质、网络和数据通信。

数字信号：

• 轻松加密
• 更易于升级和配置
• 非常适合长距离信号处理，可保持信号完整性完整性

数字电路板上的典型元件包括微控制器（微控制器 ，MCU）和数字信号处理器（Digital Signal Processors，DSP）。数字电路也是同步的，这意味着其工作由一个参考时钟来协调。这与异步 模拟电路不同，后者是在输入端对信息进行处理的。

许多集成电路（IC）将小型电子元件集成到单个微型芯片上，可支持各种应用。其中包括数字集成电路、模拟集成电路、混合信号集成电路以及专用集成电路（ASIC）。

然而，在实际应用中，这些集成电路通常会被组合使用，以达到预期效果。例如，专用集成电路（ASIC）和可编程门阵列（微控制器 ）都集成了数字和模拟电路，实际上属于混合信号集成电路。

混合信号集成电路将模拟和数字电路相结合，为半导体芯片设计和开发提供了先进功能和灵活性。

此外，为了实现准确性和性能之间的最佳平衡，混合信号集成电路将无源元件（如电容器）与有源元件（如用于电源管理的高电压晶体管）进行了充分结合。

模拟混合信号芯片在单芯片设计中将模拟信号与数字信号无缝集成，确保模拟传感器与数字处理器之间顺畅通信，为下一代电子设备奠定基础——驱动IoT 网络等应用。这些芯片包括：

• 射频集成电路（RFIC）：RFIC将高频模拟设计方法与微波电路设计方法相结合，将调制器/解调器、放大器、振荡器、滤波器和混频器集成在单个芯片上。它们为从蜂窝通信到无线通信再到导航系统等广泛的无线通信系统提供支持。
• 存储芯片：存储芯片是一种混合信号集成电路，集成了数百万个电容器和晶体管，用于临时存储信息（随机存取存储器）或永久存储信息（只读存储器）。
• 稳压器：稳压器是一种带有三个（或更多）引脚的集成电路，用于在更广泛的集成电路中维持恒定的电压水平。开关式稳压器中的元件包括晶体管开关、二极管、电容器和电感器。
• 电源管理集成电路（PMIC）：PMIC是一种高效率的电源设备，将多个电压调节器和控制电路集成在单个芯片上。它们为包括边缘计算、物联网、自动驾驶汽车和电动汽车在内的多种应用提供电源支持。

混合信号集成电路的一项重要应用是将真实的（模拟）物理信号转换为机器可读的（数字）格式。

因此，模数转换器（ADC ，简称ADC）广泛应用于视频和音频设备、温度、压力、运动传感器、医疗设备、通信系统，以及任何其他需要处理模拟输入的数字设备中。以下是关于ADC的几个需要记住的事实：

• 模数转换包含三个步骤：采样、量化和编码。
• 采样率指每秒对连续模拟信号进行采样的次数。这是一个重要的参数，会影响最终数字信号的质量。采样率因被采样的介质而异——例如，电话的采样率为8 kHz（每秒8,000次采样），而互联网语音（VoIP）的采样率为16 kHz。
• 在量化过程中，测得的信号振幅会被四舍五入，以便以二进制文件 格式表示。因此，实际模拟信号值与输出的数字信号值之间可能会存在细微差异，这被称为量化误差。

数字信号通常需要转换为物理形式。为此，会使用DAC ，它将数字信号转换为电视和显示屏上的模拟光信号，或扬声器中的声音。

关于DAC，需要注意以下几点：

• 影响转换信号质量的关键因素包括分辨率、转换时间和参考值。
• 分辨率表示DAC的最小输出增量。
• 转换时间是从输入信号到输出信号之间的间隔时间。
• 参考值指DAC 所能达到的最高电压。图像、视频和视觉输出采用低分辨率/高频的DAC ，而音频输出则采用高分辨率/低频的DAC 。

将模拟和数字组件集成到半导体芯片上的单个单元ADC和DAC中的一个主要优势，是降低功耗，减少带宽和信号失真。

集成电路设计流程描述了从电路设计到准备投入生产（例如在代工厂 中）的整个过程。集成电路设计采用各种工具、软件（包括计算机辅助设计）、工艺（包括电子设计自动化）和设备，以对工艺进行仿真和优化，并消除错误。在集成电路设计中：

• 数字集成电路设计集成了晶体管开关和逻辑电路。
• 模拟设计集成了来自电容器、晶体管、放大器、二极管和其他尚未实现数字化的器件的模拟信号。
• 射频集成电路设计（通常被视为模拟设计的一个子集）集成了大于几百千赫兹的信号（其中以射频为主）。

混合信号集成设计可能融合上述任何一种设计。现代方法，例如片上系统（SoC）和封装内系统（SiP）技术，将各个领域的设计集成到单个芯片中。

它们越来越多地用于执行各种功能（包括通信、传感、处理和存储）的多功能器件。

随着无线通信技术（包括5G、LoRa和Wi-Fi）、IoT 以及传感技术日新月异的发展，催生出日益复杂的混合信号集成电路，因此混合信号设计需要多学科团队通力合作——借助电子设计自动化（EDA）工具——才能实现设计目标。

混合信号设计流程通常包括：

• 特定领域的设计，包括数字和模拟（或射频）行为仿真
• 混合信号分析
• 布局，包括模拟设计中的物理布局或数字设计中的布局和布线
• 装配和物理验证
•  混合信号功能验证
• 流片

混合信号集成电路的设计难度比模拟或数字电路更大。例如，在混合信号电路中，模拟和数字元件可能共用一个电源。然而，由于两者的功耗特性截然不同，这给混合信号设计带来了重大挑战。因此，混合信号电路设计旨在最大限度地减少数字电路与模拟电路之间的互连，同时还能带来减轻重量和缩小体积的额外好处。

此外，混合信号半导体芯片通常操作 在更大的组件（例如智能手机中的无线电子系统）内，这些组件往往集成了系统级芯片（SoC），有时还集成了片上存储器模块。这进一步增加了混合信号芯片制造的复杂性。

混合信号集成电路制造还涉及其他复杂问题：

• 与模拟电路相比，数字电路的设计方法要先进得多。虽然数字电路设计可以在很大程度上实现自动化，但模拟电路却远非如此，这带来了诸多限制。
• 快速变化的数字信号在敏感的模拟输入处产生噪声，这可能导致基板耦合。
• 互补金属氧化物半导体（CMOS ）晶体管技术与数字电路具有良好的兼容性，而双极型晶体管技术则更适合模拟电路。这一差异曾给混合信号集成电路的设计带来难题，直到近年来出现了BiCMOS（双极型CMOS ）等技术的开发 。
• 混合信号集成IC的测试仍然具有挑战性，因为它们通常是针对特定用例构建而成，这使得测试工作变得更加耗时和成本高昂。

电迁移 此外，压降 是混合信号设计中故障 的主要原因。因此，设计人员必须了解这些额外的复杂性。

此外，由于自动化测试对于混合信号IC设计比较困难，工程师需要依靠专门的计算机辅助设计（CAD）软件（如Totem-SC）来测试设计。

Totem-SC是 Totem 的云原生版本，Totem 是半导体行业公认的黄金标准标准 多物理场签核解决方案，适用于晶体管级 及混合信号设计。经代工厂 认证——即涵盖所有finFET 工艺（直至 3nm）——的硅相关仿真结果，使工程师对其设计的最佳性能充满信心。

尽管现代半导体技术在功耗、性能和面积方面已达到令人眩目的高度（PPA ），但也使芯片设计过程变得极为复杂，其中对数字和模拟规格的集成要求也日益提高。

于是，混合信号集成电路在为传感器、成像设备、工业控制和电源管理、汽车应用、物联网、医学等领域日益多样化的器件提供支持。

采用混合信号集成电路的器件包括：

• 串行器/解串器（SerDes）
• 模数转换器
• 数模转换器
• 电源管理集成电路
• 高带宽存储器（HBM）
• 动态随机存取存储器（DRAM）
• 嵌入式存储器系统
• 现场可编程门阵列（FPGA）
• 蜂窝通信中的语音处理器
• 物联网（IoT）网络中的温度、压力和其他传感器

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