혼합 신호 집적 회로

Mixed-signal integrated circuit
혼합 신호 집적 회로: 우측의 금속 영역은 캐패시터이며, 그 위에 대형 출력 트랜지스터와 좌측이 디지털 로직에 의해 점유됩니다.

혼합 신호 집적회로란 단일 반도체 다이 [1][2][3][4]상에 아날로그 회로와 디지털 회로를 모두 갖춘 집적회로입니다.

묘사

아날로그 혼합 신호 시스템 온 어 칩(AMS-SoC)은 아날로그 회로, 디지털 회로, 고유의 혼합 신호 회로(ADC 등), 경우에 따라서는 임베디드 소프트웨어의 조합이 될 수 있습니다.

집적회로(IC)는 일반적으로 디지털(마이크로프로세서 등) 또는 아날로그(오퍼레이션앰프 등)로 분류된다.혼합 신호 IC는 같은 칩 상에 디지털 회로와 아날로그 회로를 모두 포함하는 칩입니다.이 칩 범주는 특히 3G, 4G, 5G 등 휴대폰과 기타 휴대용 기술의 사용 증가와 센서 및 전자제품의 증가로 부피가 크게 증가했다.

혼합 신호 IC는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 디지털 장치가 처리할 수 있도록 하기 위해 자주 사용됩니다.예를 들어, 혼합 신호 IC는 디지털 앰프가 있는 미디어 플레이어와 같은 디지털 제품에서 FM 튜너에 필수적인 구성요소입니다.아날로그 신호(FM 라디오 송신, 광파, 소리 등)는 매우 기본적인 아날로그-디지털 변환기를 사용하여 디지털화할 수 있으며, 이들 중 가장 작고 에너지 효율이 높은 것은 혼합 신호 IC의 형태입니다.

혼합 신호 IC는 아날로그 전용 또는 디지털 전용 집적회로보다 설계 및 제조가 어렵습니다.예를 들어, 효율적인 혼합 신호 IC는 디지털 및 아날로그 구성요소가 공통 전원 공급 장치를 공유합니다.그러나 아날로그와 디지털 컴포넌트는 전력 요구와 소비 특성이 매우 다르기 때문에 칩 설계에서는 그다지 중요하지 않습니다.

혼합 신호 기능을 실현하려면 기존의 액티브(다양한 트랜지스터) 제조 기술뿐만 아니라 디지털 기능을 갖춘 동일한 칩 상의 코일, 콘덴서, 저항기와 같은 우수한 성능의 패시브 요소를 실현하기 위한 옵션 및 모델링 이해도 필요합니다.저전력 CMOS 프로세서시스템에서는 디지털 기능을 갖춘 동일한 칩상의 전원 관리 기능에 고전압 트랜지스터가 필요할 수 있습니다.일부 고급 혼합 신호 기술은 압력 센서나 이미징 다이오드 같은 아날로그 센서 요소도 아날로그 디지털 변환기와 같은 칩에 사용할 수 있습니다.

일반적으로, 혼합 신호 IC는 반드시 가장 빠른 디지털 성능을 필요로 하는 것이 아니라, 테스트 가능성 계획 및 신뢰성 평가와 같이 보다 정확한 시뮬레이션과 검증을 위해 능동적 요소와 수동적 요소의 성숙한 모델이 필요합니다.따라서 혼합신호회선은 일반적으로 최고속도와 가장 고밀도 디지털로직보다 큰 회선폭으로 실현되며 구현기술은 최신 디지털 구현기술보다2~4세대 늦어질 수 있습니다.또한 혼합 신호 처리에는 저항기, 캐패시터, 코일 등의 패시브 소자가 필요할 수 있습니다.이러한 소자는 특수한 금속층 또는 유전체층 또는 표준 제조 프로세스의 유사한 적응이 필요할 수 있습니다.이러한 특정 요구 사항 때문에 혼합 신호 장치 또는 주조 공장의 제조업체는 디지털 IC 제조업체 또는 주조 공장과는 다를 수 있습니다.

적용들

실제로 스마트폰, 온칩 표준 디지털 인터페이스(I2C, UART, SPI, CAN 등), 음성 관련 신호 처리, 항공우주 및 우주 전자, IoT, 무인 항공기(UAV), 자동차 및 기타 전기 자동차 등에는 다양한 응용 프로그램이 혼합되어 있습니다.혼합 신호 IC는 아날로그 신호와 디지털 신호 모두를 함께 처리합니다.예를 들어 아날로그/디지털 변환기(ADC)는 일반적인 혼합 신호 회로입니다.혼합 신호 회로 또는 시스템은 일반적으로 현대 가전, 산업, 의료, 측정, 공간 등의 애플리케이션을 구축하는 비용 효율적인 솔루션입니다.

혼합 신호 집적회로에는 OTP와 같은 온칩 메모리 블록도 포함되어 있어 아날로그 IC에 비해 제조가 복잡합니다.혼합 신호 집적회로는 시스템 내 디지털 기능과 아날로그 기능 간의 오프칩 상호접속을 최소화합니다.일반적으로 패키징을 최소화하고 시스템 보드(PWB/PCB, 모듈 기판 등) 크기를 줄임으로써 구현의 크기와 무게를 최소화하여 시스템의 신뢰성을 높입니다.

혼합 신호 장치는 표준 부품으로 사용할 수 있지만, 새로운 애플리케이션 또는 새로운 표준이 도입되고 있거나 새로운 에너지원이 시스템에 구현되어 있어 생산량이 많을 것으로 예상되는 경우 맞춤형으로 설계된 애플리케이션 고유의 집적회로(ASIC)가 설계되어 있습니다.주조 공장이나 전용 설계 하우스에서 아날로그 및 혼합 신호 IP 블록을 준비 및 테스트하여 혼합 신호 ASIC를 실현하기 위한 갭을 줄였습니다.

또한 혼합 신호 FPGA와 마이크로 컨트롤러는 거의 존재하지 않습니다.일반적으로 아날로그-디지털 및 디지털-아날로그 변환기, 연산 증폭기, 심지어 디지털 [5]로직을 가진 무선 연결 블록 등을 포함할 수 있습니다.혼합 신호 FPGA는 필드 프로그래밍 가능한 아날로그 어레이의 확장입니다.이러한 혼합신호 FPGA와 마이크로컨트롤러는 제품이 개발 중이거나 볼륨이 너무 적어 효과적인 완전한 커스텀 ASIC 실현을 할 수 없을 때 표준 혼합신호 디바이스, 완전한 커스텀 ASIC 및 임베디드 소프트웨어 세계 간의 갭을 메웁니다.단, ADC의 해상도, 디지털에서 아날로그로의 변환(DAC)의 속도, 입력과 출력의 수 제한 등, 이러한 타입의 FPGA 및 마이크로 컨트롤러에서는, 통상, 퍼포먼스의 제한은 거의 없습니다.이러한 제한에도 불구하고 혼합 신호 FPGA와 마이크로 컨트롤러는 시스템 아키텍처 설계, 프로토타이핑 및 중소 규모 생산 속도를 높일 수 있습니다.또한 개발 보드, 개발 커뮤니티 및 소프트웨어 지원을 통해 백업할 수도 있습니다.

예

통상, 혼합 신호 칩은, 휴대 전화의 무선 서브 시스템이나 DVD 플레이어의 판독 데이터 패스나 레이저 SLED 제어 로직등의 대규모 어셈블리에서, 기능 전체 또는 서브 기능을 실행합니다.대부분의 경우, 시스템 온 어 칩이 포함되어 있습니다.

혼합신호집적회로의 예로는 델타시그마변조를 이용한 데이터변환기, 오류검출 및 수정을 이용한 아날로그/디지털/아날로그 변환기, 디지털무선칩 등이 있다.디지털 제어 사운드 칩도 혼합 신호 회로입니다.셀룰러 테크놀로지와 네트워크 테크놀로지의 등장으로, 이 카테고리에는 휴대 전화, 소프트웨어 무선, LAN 및 WAN 라우터 집적회로가 포함됩니다.

디지털 신호 처리와 아날로그 회로를 모두 사용하기 때문에 혼합 신호 IC는 일반적으로 매우 특정한 목적을 위해 설계되며, 그 설계에는 높은 수준의 전문 지식과 컴퓨터 지원 설계(CAD) 도구를 신중하게 사용해야 합니다.또한 혼합 신호 시뮬레이터나 VHDL-AMS와 같은 설명 언어와 같은 특정 설계 툴도 있습니다. 완성된 칩에 대한 자동 테스트도 어려울 수 있습니다.Teradyne, Keysight [6]및 Advantest는 혼합 신호 칩용 테스트 장비의 주요 공급업체입니다.

혼합 신호의 특별한 과제는 다음과 같습니다.

  • CMOS 테크놀로지는 보통 디지털 퍼포먼스와 스케일링에 최적인 반면 바이폴라 트랜지스터는 아날로그 퍼포먼스에 최적입니다.그러나 지난 10년간은 이러한 트랜지스터를 비용 효율적으로 조합하거나 아날로그와 디지털을 하나의 테크놀로지로 설계하는 것이 큰 성능 저하 없이 어려운 일이었습니다.고성능 CMOS, BiCMOS, CMOS SOI 및 SiGe와 같은 테크놀로지의 등장으로 이전에 해야 했던 많은 타협이 없어졌습니다.
  • 혼합 신호 IC의 기능적 작동 테스트는 복잡하고 비용이 많이 들며 종종 "일회성" 구현 작업입니다.
  • 디지털 설계 방법에 필적하는 체계적인 설계 방법론은 아날로그 및 혼합 신호 영역에서 훨씬 더 원시적입니다.아날로그 회로 설계는 일반적으로 디지털 회로 설계가 가능한 수준까지 자동화될 수 없습니다.이 두 가지 기술을 결합하면 이 문제가 더욱 복잡해집니다.
  • 빠르게 변화하는 디지털 신호는 민감한 아날로그 입력에 노이즈를 보냅니다.이 노이즈의 1가지 경로는 기판 커플링입니다.완전 차동 증폭기, P+ 가드링,[7][8] 차동 토폴로지, 온칩 디커플링, 트리플 웰 [9]분리 등 다양한 기술을 사용하여 이 노이즈 커플링을 차단 또는 취소합니다.

현대의 대부분의 무선 및 통신에서는 혼합 신호 회선을 사용합니다.

상업적인 예

역사

MOS 스위치드 캐패시터 회로

상세 정보:스위치 콘덴서 및 디지털 텔레포니

금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET, MOS 트랜지스터)는 모하메드 M에 의해 발명되었다. 1959년 벨전화연구소의 아탈라와 다원캉, 그리고 곧 MOS 집적회로(MOS IC) 칩이 제안되었지만, MOS 기술은 컴퓨터 등 디지털 전자제품의 페어차일드와 RCA에 의해 상용화되기 전에 아날로그 전화 애플리케이션에 실용적이지 못하다는 이유로 벨에 의해 처음에는 간과되었다.s.[10][11] MOS 기술은 결국 전 Bell 엔지니어 David A에 의해 개발된 단일 칩에 아날로그와 디지털 신호 처리를 결합한 MOS 혼합 신호 집적회로와 함께 전화 애플리케이션에 실용화되었습니다. 하지스와 폴 R.1970년대 [11]초 UC 버클리 대학의 회색.1974년 Hodges와 Gray는 R.E. Suarez와 협력하여 데이터 [11]변환용 MOS 캐패시터와 MOSFET 스위치를 사용하여 디지털-아날로그 변환기(DAC) 칩을 개발하는 데 사용되었습니다.1974년까지 MOS 아날로그-디지털 변환기(ADC)[12]와 DAC 칩이 상용화됐다.

MOS SC 회로는 1970년대 [11][13]후반에 Pulse-Code Modulation(PCM; 펄스 코드 변조) 코덱 필터 칩의 개발로 이어졌습니다.Hodges와 W.C가 개발한 실리콘 게이트 CMOS(보완 MOS) PCM 코덱필터 칩.1980년의 [11]블랙은, 그 [11][13]후 디지털 텔레포니의 업계 표준이 되고 있습니다.1990년대까지 공중전화교환망(PSTN)과 같은 통신 네트워크는 전화교환, PBX(Private Branch Exchange) 및 주요 전화시스템(KTS)의 전자교환시스템에 널리 사용되는 초대형 통합(VLSI) CMOS PCM 코덱 필터로 대부분 디지털화되었습니다; 사용자-엔드 모뎀;디지털 루프 캐리어, 페어 게인 멀티플렉서, 전화 루프 익스텐더, Integrated Services Digital Network(ISDN; 서비스 통합 디지털 네트워크) 단말, 디지털 무선 전화 및 디지털 휴대 전화와 같은 sion 애플리케이션과 음성 인식 장치,[13] 음성 데이터 스토리지, 음성 메일 및 디지털 테이프리스 자동 응답기와 같은 애플리케이션.디지털 통신 네트워크의 대역폭은 Edholm의 [14]법칙에서 볼 수 있듯이 MOS 기술의 [15][11]빠른 확장과 소형화로 인해 기하급수적인 속도로 빠르게 증가하고 있습니다.

RF CMOS 회로

주요 기사: RF CMOS

1980년대 초 Bell Labs에서 일하는 동안 파키스탄 엔지니어 Asad Abidi는 George E.의 Marty Lepselter와 함께 Advanced LSI Development Lab에서 서브미크론 MOSFET(금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터) VLSI(초대규모 집적화) 기술 개발에 종사했습니다. 스미스와 해리 볼.연구소의 몇 안 되는 회로 설계자 중 한 명인 Abidi는 고속 통신 회로에서의 서브미크론 NMOS 집적회로 기술의 가능성을 입증하고 광섬유 리시버에서 Gb/s 데이터 레이트를 위한 최초의 MOS 앰프를 개발했습니다.아비디의 연구는 처음에 GaAs와 그 당시 고속회로의 지배적인 기술이었던 양극 접합 트랜지스터의 지지자들로부터 회의적인 시선을 받았다.1985년 UCLA에 입사하여 1980년대 후반 RF CMOS 기술을 개척했습니다.그의 연구는 RF 회로의 설계 방식을 이산 바이폴라 트랜지스터에서 벗어나 CMOS 집적회로 [16]쪽으로 변화시켰습니다.

아비디는 1980년대 후반부터 1990년대 초반까지 신호 처리 및 통신용 아날로그 CMOS 회로를 연구했습니다.1990년대 중반, 그가 개척한 RF CMOS 기술은 휴대전화가 널리 사용되기 시작하면서 무선 네트워킹에 널리 채택되었습니다.2008년 현재 모든 무선 네트워크 디바이스와 최신 휴대전화의 무선 트랜시버는 RF CMOS 디바이스로 [16]대량 생산되고 있습니다.

모든 최신 무선 네트워킹디바이스와 휴대전화의[17][18] 베이스밴드프로세서와 무선 트랜시버는 RF [16]CMOS 디바이스를 사용하여 대량 생산됩니다.RF CMOS 회로는 위성 기술(GPS 등), 블루투스, Wi-Fi, 근거리 통신(NFC), 모바일 네트워크(3G, 4G, 5G 등),[19] 지상파 방송 및 자동차 레이더 애플리케이션 등 다양한 애플리케이션에서 무선 신호를 송수신하는 데 널리 사용됩니다.RF CMOS 테크놀로지는 무선 네트워크나 모바일 통신 [20]디바이스를 포함한 최신 무선 통신에 매우 중요합니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Saraju Mohanty, McGraw-Hill, 나노전자 혼합 신호 시스템 설계, 2015, ISBN978-0071825719 및 0071825711.
  2. ^ "혼합 신호 IC 설계"견적: "혼합 신호 (1개의 칩에 아날로그와 디지털 회로가 혼재된 IC)"
  3. ^ Mark Burns와 Gordon W. Roberts, "혼합 신호 IC 테스트 및 측정 소개", 2001.
  4. ^ 'ESS 혼합 신호 회로' 2010-10-11년 웨이백 머신에 보관
  5. ^ "마이크로세미 퓨전 혼합 신호 FPGA"
  6. ^ "Electronic design, test automation and measurement equipment". Keysight Technologies.{{cite web}}: CS1 maint :url-status (링크)
  7. ^ 장, J.J., 이명희, 정성용, 브룩, M.A., 조커스트, 윌스, D.S 1999.의 "광전자 애플리케이션에 대한 완전 차동 전류 입력 CMOS 앰프 프론트 엔드 억제 혼합 신호 기판 노이즈"
  8. ^ Singh, R.; Sali, S. 1997년 S.의 "Spice를 사용한 혼합 신호 칩 설계에서의 소음 문제 억제"
  9. ^ "혼합 신호 IC가 14비트 ADC와 DSP를 0.18μm CMOS로 병합"
  10. ^ Maloberti, Franco; Davies, Anthony C. (2016). "History of Electronic Devices" (PDF). A Short History of Circuits and Systems: From Green, Mobile, Pervasive Networking to Big Data Computing. IEEE Circuits and Systems Society. pp. 59-70 (65-7). ISBN 9788793609860.
  11. ^ a b c d e f g Allstot, David J. (2016). "Switched Capacitor Filters" (PDF). In Maloberti, Franco; Davies, Anthony C. (eds.). A Short History of Circuits and Systems: From Green, Mobile, Pervasive Networking to Big Data Computing. IEEE Circuits and Systems Society. pp. 105–110. ISBN 9788793609860.
  12. ^ Electronic Components. U.S. Government Printing Office. 1974. p. 46.
  13. ^ a b c Floyd, Michael D.; Hillman, Garth D. (8 October 2018) [1st pub. 2000]. "Pulse-Code Modulation Codec-Filters". The Communications Handbook (2nd ed.). CRC Press. pp. 26–1, 26–2, 26–3.
  14. ^ Cherry, Steven (2004). "Edholm's law of bandwidth". IEEE Spectrum. 41 (7): 58–60. doi:10.1109/MSPEC.2004.1309810.
  15. ^ Jindal, Renuka P. (2009). "From millibits to terabits per second and beyond - Over 60 years of innovation". 2009 2nd International Workshop on Electron Devices and Semiconductor Technology: 1–6. doi:10.1109/EDST.2009.5166093. ISBN 978-1-4244-3831-0.
  16. ^ a b c O'Neill, A. (2008). "Asad Abidi Recognized for Work in RF-CMOS". IEEE Solid-State Circuits Society Newsletter. 13 (1): 57–58. doi:10.1109/N-SSC.2008.4785694. ISSN 1098-4232.
  17. ^ Chen, Wai-Kai (2018). The VLSI Handbook. CRC Press. pp. 60–2. ISBN 9781420005967.
  18. ^ Morgado, Alonso; Río, Rocío del; Rosa, José M. de la (2011). Nanometer CMOS Sigma-Delta Modulators for Software Defined Radio. Springer Science & Business Media. p. 1. ISBN 9781461400370.
  19. ^ Veendrick, Harry J. M. (2017). Nanometer CMOS ICs: From Basics to ASICs. Springer. p. 243. ISBN 9783319475974.
  20. ^ "Infineon Hits Bulk-CMOS RF Switch Milestone". EE Times. 20 November 2018. Retrieved 26 October 2019.

추가 정보