什麼是混合訊號積體電路？

從最基本的層面來看，訊號是指透過空氣或光等媒介，從一個系統傳輸到另一個系統的資訊。例如，語音便是透過空氣傳輸的。

電氣輸入與輸出訊號廣泛應用於各類工程領域——例如電池、感測器、馬達、致動器、轉換器、電路等——從而實現了幾乎無窮無盡的資訊處理。

類比訊號是一種連續且隨時間變化的訊號，可以呈現無數種數值。它們透過物理性質的變化（例如電壓、頻率或電流）來傳遞資訊。舉例來說，我們的眼睛就是透過光線的變化（一種連續的波形類比訊號）來接收資訊，藉此理解周遭的世界。

頻率調變（FM）與振幅調變（AM）是兩種類比傳輸方式。顧名思義，FM 是透過調變頻率來傳輸資訊，而 AM 則是透過調變振幅來傳輸資訊。

類比訊號非常適合用於音訊和視訊傳輸，或是傳輸物理上的「真實世界」資訊，例如溫度、光線和聲音。類比訊號通常透過無線電、水或纜線（雙纜、同軸或光纖）進行傳輸。能夠擷取類比訊號的裝置包括電話、語音錄音機、溫度感測器以及控制系統。

類比訊號：

• 密度較高 (即承載更多資訊)
• 不需要非常高的頻寬
• 更便宜且更易於處理

積體電路板上的類比元件包括運算放大器、電阻器、電容器和電晶體。

相較之下，數位訊號是離散的，僅能取有限數量的數值。事實上，數位訊號是類比訊號的子集，僅承載類比訊號中的一部分資訊。它們通常以二進位格式（0 和 1）編碼，用以表示電壓、極化或磁化等量值的開與關狀態。

數位訊號通常用於無線通訊、電腦匯流排、儲存媒體、網路和資料通訊。

數位訊號具有下列特性：

• 可輕鬆加密
• 更易於升級和設定
• 非常適合長距離訊號處理，並能保留 訊號完整性

數位電路板上的典型元件包括微控制器（MCU）和數位訊號處理器（DSP）。數位電路具有同步特性，也就是說，其運作是由參考時鐘來協調的。這與非同步類比電路形成對比，後者是在輸入端進行資訊處理。

許多積體電路（IC）將小型電子元件整合於單一微型晶片上，以支援各種應用。這些包括數位積體電路、類比積體電路、混合訊號積體電路，以及特定用途積體電路（ASIC）。

然而，在實際應用中，這些積體電路經常被結合使用，以達到預期的效果。例如，專用積體電路（ASIC）和微控制器同時整合了數位與類比電路，實際上屬於混合訊號積體電路。

混合訊號積體電路結合類比與數位電路系統，讓半導體晶片設計的設計與開發具備精密和彈性特性。

混合訊號積體電路的目標是在準確度與效能之間取得最佳平衡，並結合被動元件 (例如電容器) 與主動元件 (例如電源管理中使用的高電壓電晶體)。

類比混合訊號晶片在單一晶片設計中無縫整合類比與數位訊號，確保類比感測器與數位處理器之間能順暢通訊，為下一代電子裝置奠定基礎——驅動物聯網（IoT）網路等應用。這些晶片包括：

• 射頻積體電路（RFIC）：RFIC 結合了高頻類比設計 技術與微波電路設計方法，將調變器／解調器、放大器、振盪器、濾波器及混頻器整合於單一晶片上。它們為從行動通訊、無線通訊到導航系統等廣泛的無線通訊系統提供動力。
• 記憶體晶片：記憶體晶片是一種混合訊號積體電路，內含數百萬個電容器和電晶體，用於暫時儲存資訊（隨機存取記憶體）或永久儲存資訊（唯讀記憶體）。
• 電壓調節器：電壓調節器是一種具備三個（或更多）引腳的積體電路，用於在較大的積體電路中維持恆定的電壓水準。開關式電壓調節器的元件包括電晶體開關、二極體、電容器及電感器。
• 電源管理積體電路（PMIC）：PMIC是一種高效率的電源供應裝置，將多個電壓調節器與控制電路整合於單一晶片上。它們為多種應用提供電源，包括邊緣運算 、物聯網、自動駕駛車輛及電動車。

混合訊號積體電路的一種重要應用，是將實體現實世界 (類比) 訊號轉換為機器可讀取 (數位) 格式。

因此，模數轉換器（ADC）常見於影音設備、溫度、壓力、動作感測器、醫療器材、通訊系統，或是任何需要處理類比輸入訊號的數位裝置中。以下是關於 ADC 的一些須知要點：

• 類比數位轉換有三個步驟：取樣、量化和編碼。
• 取樣率指每秒對連續類比訊號進行的取樣次數。這是個重要的參數，會影響最終數位訊號的品質。取樣率會因被取樣的媒介而異——例如，電話系統的取樣率為 8 kHz（每秒 8,000 次取樣），而網際網路語音（VoIP）則為 16 kHz。
• 在量化過程中，所測得的訊號振幅會被四捨五入，以便以二進位格式表示。因此，實際的類比訊號值與輸出的數位訊號值之間可能會存在些微差異，這被稱為量化誤差。

數位訊號通常需要轉換為實體格式。數位類比轉換器（DAC）正是用於此目的，它能將數位訊號轉換為電視和螢幕上的類比影像，或是揚聲器中的聲音。

以下提供一些應記住的 DAC 事實：

• 解析度、轉換時間和參考值是影響轉換訊號品質的關鍵因素。
• 解析度代表 DAC 的最小輸出增量。
• 轉換時間是輸入與輸出訊號之間的經過時間。
• 參考值指的是 DAC 可達到的最高電壓。低解析度／高頻率的 DAC 用於影像、影片及視覺輸出，而高解析度／低頻率的 DAC 則用於音訊輸出。

將類比與數位元件整合到半導體晶片上的單一單元 ADC 和 DAC 中的主要優勢，是減少功耗、頻寬和訊號失真。

積體電路設計 「流程」指的是從電路設計到準備投入量產（例如送交晶圓代工廠）的整個過程。積體電路設計 運用各種工具、軟體（包括電腦輔助設計）、製程（包括電子設計自動化）及裝置，來模擬與優化製程，並消除錯誤。在積體電路設計 中：

• 數位積體電路設計整合電晶體開關與邏輯電路。
• 類比設計整合來自電容器、電晶體、放大器、二極體及其他尚未數位化之項目的類比訊號。
• 射頻積體電路設計 (經常被視為類比設計的子集) 整合超過數十萬赫茲的訊號 (易於產生 RF 現象)。

混合訊號積體電路設計可能會融合上述任何一種設計。現代方法，例如系統單晶片（SoC）和系統封裝（SiP）技術，將各領域的設計整合到單一晶片中。

越來越多這些項目用於可執行通訊、感應、處理和儲存等各種功能的多功能裝置。

隨著無線通訊技術（包括 5G、LoRa和 Wi-Fi）、物聯網（IoT）以及感測技術的急速發展，催生出日益複雜的混合訊號積體電路（IC）；因此，混合訊號設計需要跨領域團隊通力合作——並運用電子設計自動化（EDA）工具——才能達成設計目標。

混合訊號設計流程通常包括：

• 領域特定設計，包括數位與類比 (或 RF) 行為模擬
• 混合訊號分析
• 配置，包括類比設計中的實體配置或數位設計中的佈局和繞線
• 組合件與實體驗證
•  混合訊號功能驗證
• 下線

混合訊號積體電路的设计難度高於類比或數位電路。舉例來說，在混合訊號電路中，類比與數位元件可能會共用同一電源。然而，由於兩者的功耗特性截然不同，這為混合訊號設計帶來了重大挑戰。因此，混合訊號電路設計的目標在於盡可能減少數位與類比電路之間的互連，同時還能帶來減輕重量與縮小體積的額外好處。

此外，混合訊號半導體晶片通常運作於較大的組件之中（例如智慧型手機中的無線電子系統），往往整合了系統單晶片（SoC），有時還會整合晶片內記憶體區塊。這進一步增加了混合訊號晶片製造的複雜性。

混合訊號積體電路的製造中還涉及其他難題：

• 數位電路的設計方法論遠比類比電路更為先進。雖然數位電路設計可在很大程度上實現自動化，但類比電路卻遠非如此，這便帶來了某些限制。
• 快速改變的數位訊號會在靈敏的類比輸入端產生雜訊，這可能會導致基體耦合。
• 互補金屬氧化物半導體（CMOS）電晶體技術與數位電路相容性良好，而雙極性電晶體技術則更適合應用於類比電路。這在混合訊號積體電路設計 中曾構成一項難題，直到近年來開發出 BiCMOS（雙極性 CMOS）等技術為止。
• 測試混合訊號 IC 仍具挑戰性，原因是混合訊號 IC 通常是專為特定使用案例所打造，因此測試混合訊號 IC 會更費時也更昂貴。

電遷移 而電壓降 是混合訊號設計中導致失敗的主要原因。因此，設計人員必須理解這些額外的複雜性。

此外，由於自動化測試對混合訊號 IC 設計造成挑戰，因此工程師仰賴專業電腦輔助設計 (CAD) 軟體 (例如 Totem-SC) 來測試其設計。

Totem-SC是Totem 的雲端原生 版本，該產品是半導體產業中針對電晶體級與混合訊號設計的黃金標準多物理場 驗證解決方案。經晶圓代工廠認證——涵蓋所有finFET 製程，直至 3 奈米——且與矽片特性相符的模擬結果，讓工程師能對其設計的最佳性能充滿信心。

雖然現代半導體技術在功耗、效能與面積（PPA）方面已達到令人目眩的高度，但也為晶片設計流程帶來了極大的複雜性，其中越來越需要將數位與類比規格整合在一起。

因此，混合訊號積體電路可驅動越來越多元化的裝置，涵蓋的領域包括感應器、成像設備、工業控制與電源管理、汽車應用、IoT、醫藥和其他方面。

整合混合訊號積體電路的裝置包括：

• 序列器/解序列器 (SerDes)
• 類比數位轉換器
• 數位類比轉換器
• 電源管理積體電路
• 高頻寬記憶體 (HBM)
• 動態隨機存取記憶體 (DRAM)
• 嵌入式記憶體系統
• 現場可程式化閘道陣列 (FPGA)
• 行動數據通訊中的語音處理器
• 物聯網 (IoT) 網路中的溫度、壓力和其他感應器

若想了解一個能解決積體電路板上電氣、熱學及機械挑戰的實際運作設計，請閱讀我們的免費報告《適用於印刷電路板與電子封裝的電熱機械應力 參考設計流程》。