Circuito integrado de sinal misto - Mixed-signal integrated circuit

Circuito integrado de sinal misto: áreas metálicas do lado direito são capacitores, no topo dos quais grandes transistores de saída e o lado esquerdo é ocupado pela lógica digital

Um circuito integrado de sinal misto é qualquer circuito integrado que tenha circuitos analógicos e circuitos digitais em uma única matriz semicondutora.

Em aplicações da vida real, designs de sinais mistos estão em toda parte, por exemplo, em telefones celulares inteligentes , sistemas de sensores com interfaces digitais padronizadas no chip (como I2C , UART , SPI, CAN etc.), Processamento de sinal relacionado a voz, aeroespacial e espacial eletrônicos, IoT , veículos aéreos não tripulados (UAVs), veículos automotivos e outros veículos elétricos. Os CIs de sinais mistos também processam sinais analógicos e digitais juntos. Por exemplo, um conversor analógico-digital (ADC) é um circuito de sinal misto típico. Circuitos ou sistemas de sinais mistos são normalmente soluções econômicas para a construção de quaisquer aplicações modernas de produtos eletrônicos de consumo , industriais, médicos, de medição, espaciais, etc. Um circuito integrado de sinal misto também pode conter blocos de memória no chip como OTP , o que complica a fabricação em comparação com CIs analógicos. Um circuito integrado de sinal misto minimiza as interconexões fora do chip entre a funcionalidade digital e analógica no sistema, normalmente tamanho e peso da realização devido ao empacotamento minimizado e tamanho reduzido da placa de sistema ( PWB / PCB , substrato do módulo etc.) e, portanto, aumenta a confiabilidade do sistema.

Dispositivos de sinais mistos estão disponíveis como peças padrão, mas circuitos integrados específicos de aplicação (ASICs) projetados de forma personalizada são projetados para novas aplicações ou se novos padrões estão surgindo ou novas fontes de energia são implementadas no sistema e os volumes de produção são estimados para estar alto. A disponibilidade de blocos IP analógicos e de sinais mistos prontos e testados de fundições ou casas de projeto dedicadas reduziu a lacuna para realizar ASICs de sinais mistos. Também existem poucos FPGAs e microcontroladores de sinal misto , que normalmente podem incluir conversor (es) analógico para digital e digital para analógico, amplificadores operacionais, até mesmo blocos de conectividade sem fio, etc. no mesmo chip com lógica digital. FPGAs de sinais mistos são uma extensão de matrizes analógicas programáveis ​​em campo . Esses FPGAs e microcontroladores de sinal misto estão preenchendo a lacuna entre os dispositivos de sinal misto padrão, ASICs totalmente personalizados e possivelmente o mundo do software embarcado, quando os produtos estão em desenvolvimento ou os volumes são muito baixos para uma realização ASIC totalmente personalizada e eficaz. No entanto, pode haver algumas limitações de desempenho tipicamente com este tipo de FPGAs e microcontroladores, como resolução de ADCs, velocidade de conversão digital para analógica (DAC) e número limitado de entradas e saídas, etc. Apesar dessas possíveis limitações, FPGAs e microcontroladores de sinais mistos podem acelerar o projeto da arquitetura do sistema, a prototipagem e até a produção em pequena e média escala. Eles também podem ser apoiados por placas de desenvolvimento, comunidade de desenvolvimento e, possivelmente, também suporte de software.

Introdução

Um sistema em um chip de sinais mistos analógicos (AMS-SoC) pode ser uma combinação de circuitos analógicos, circuitos digitais, circuitos de sinais mistos intrínsecos (como ADCs) e, em alguns casos, possivelmente também software integrado .

Os circuitos integrados (ICs) são geralmente classificados como digitais (por exemplo, um microprocessador) ou analógicos (por exemplo, um amplificador operacional). CIs de sinais mistos são chips que contêm circuitos digitais e analógicos no mesmo chip. Esta categoria de chip cresceu dramaticamente em volumes, especificamente com o aumento do uso de telefones celulares 3G , 4G , 5G , etc. e outras tecnologias portáteis, bem como o aumento de sensores e eletrônicos em automotivos.

Os CIs de sinais mistos são freqüentemente usados ​​para converter sinais analógicos em sinais digitais para que os dispositivos digitais possam processá-los. Por exemplo, ICs de sinais mistos são componentes essenciais para sintonizadores FM em produtos digitais, como reprodutores de mídia, que possuem amplificadores digitais. Qualquer sinal analógico (como uma transmissão de rádio FM, uma onda de luz ou um som) pode ser digitalizado usando um conversor analógico-digital muito básico, e o menor e mais eficiente em termos de energia estaria na forma de sinal misto ICs.

Os CIs de sinais mistos são mais difíceis de projetar e fabricar do que os circuitos integrados somente analógicos ou digitais. Por exemplo, um IC de sinal misto eficiente teria seus componentes digitais e analógicos compartilhando uma fonte de alimentação comum. No entanto, os componentes analógicos e digitais têm necessidades de energia e características de consumo muito diferentes, o que torna essa meta não trivial no design de chips.

A realização da funcionalidade de sinais mistos requer tecnologias de fabricação, além do ativo tradicional (vários transistores), também opções e compreensão de modelagem para realizar elementos passivos de bom desempenho como bobinas, capacitores e resistores no mesmo chip com funcionalidade digital. Transistores de alta tensão podem ser necessários nas funções de gerenciamento de energia no mesmo chip com funcionalidade digital, possivelmente com um sistema de processador CMOS de baixa energia. Algumas tecnologias avançadas de sinais mistos podem permitir até mesmo elementos de sensores analógicos, como sensores de pressão ou diodos de imagem no mesmo chip com conversor digital analógico. Normalmente, os ICs de sinais mistos não precisam necessariamente de desempenho digital mais rápido, mas precisam de modelos mais maduros de elementos ativos e passivos para simulações e verificações mais precisas, como para planejamento de testabilidade e estimativas de confiabilidade. Portanto, os circuitos de sinais mistos são normalmente realizados com larguras de linha maiores do que a velocidade mais alta e a lógica digital mais densa, e as tecnologias de implementação podem ser de 2 a 4 nós por trás das tecnologias de implementação digital mais recentes. Além disso, o processamento de sinais mistos pode precisar de elementos passivos, como resistores, capacitores e bobinas, que podem exigir metal específico ou camadas dielétricas ou semelhantes. Devido a esses requisitos específicos, os fabricantes de fundições de dispositivos de sinais mistos podem ser diferentes dos fabricantes ou fundições de CI digital.

Exemplos

Normalmente, os chips de sinais mistos executam alguma função ou subfunção inteira em um conjunto maior, como o subsistema de rádio de um telefone celular ou o caminho de dados de leitura e lógica de controle de trenó a laser de um DVD player. Eles geralmente contêm um sistema inteiro em um chip .

Exemplos de circuitos integrados de sinais mistos incluem conversores de dados usando modulação delta-sigma , conversor analógico para digital / conversor digital para analógico usando detecção e correção de erros e chips de rádio digital . Os chips de som controlados digitalmente também são circuitos de sinais mistos. Com o advento da tecnologia celular e da tecnologia de rede, essa categoria agora inclui telefone celular , software de rádio , circuitos integrados de roteador LAN e WAN .

Por causa do uso de processamento de sinal digital e circuito analógico, os CIs de sinais mistos são geralmente projetados para uma finalidade muito específica e seu projeto requer um alto nível de especialização e uso cuidadoso de ferramentas de design auxiliado por computador (CAD). Também existem ferramentas de design específicas, como simuladores de sinais mistos ou linguagens de descrição como VHDL-AMS . O teste automatizado dos chips acabados também pode ser um desafio. Teradyne , Keysight e Advantest são os principais fornecedores de equipamentos de teste para chips de sinais mistos.

Os desafios específicos do sinal misto incluem:

  • A tecnologia CMOS é geralmente ideal para desempenho digital e dimensionamento, enquanto os transistores bipolares são geralmente ideais para desempenho analógico, mas até a última década era difícil combiná-los de maneira econômica ou projetar analógico e digital em uma única tecnologia sem desempenho sério compromissos. O advento de tecnologias como CMOS , BiCMOS , CMOS SOI e SiGe de alto desempenho removeu muitos dos compromissos que antes precisavam ser feitos.
  • Testar a operação funcional de ICs de sinais mistos permanece complexo, caro e muitas vezes uma tarefa de implementação "única".
  • Metodologias de projeto sistemáticas comparáveis ​​aos métodos de projeto digital são muito mais primitivas na área de sinais analógicos e mistos. O projeto de circuito analógico geralmente não pode ser automatizado quase tanto quanto o projeto de circuito digital pode. Combinar as duas tecnologias multiplica essa complicação.
  • Sinais digitais de mudança rápida enviam ruído para entradas analógicas sensíveis. Um caminho para esse ruído é o acoplamento de substrato . Uma variedade de técnicas é usada para tentar bloquear ou cancelar esse acoplamento de ruído, como amplificadores totalmente diferenciais , anéis de proteção P +, topologia diferencial, desacoplamento no chip e isolamento de poço triplo.

A maioria dos rádios e telecomunicações modernos usa circuitos de sinais mistos.

Exemplos comerciais

História

Circuitos de capacitor chaveado MOS

Mais informações: Capacitor comutado e telefonia digital

O transistor de efeito de campo semicondutor de óxido metálico (MOSFET, ou transistor MOS) foi inventado por Mohamed M. Atalla e Dawon Kahng na Bell Telephone Laboratories em 1959, e o chip de circuito integrado MOS (MOS IC) foi proposto logo depois, mas A tecnologia MOS foi inicialmente esquecida pela Bell porque eles não a acharam prática para aplicações de telefone analógico , antes de ser comercializada pela Fairchild e RCA para eletrônicos digitais , como computadores . A tecnologia MOS acabou se tornando prática para aplicações de telefonia com o circuito integrado de sinal misto MOS , que combina processamento de sinal analógico e digital em um único chip, desenvolvido pelo ex-engenheiro da Bell David A. Hodges com Paul R. Gray na UC Berkeley no início dos anos 1970 . Em 1974, Hodges e Gray trabalharam com RE Suarez para desenvolver a tecnologia de circuito de capacitor chaveado (SC) MOS , que eles usaram para desenvolver um chip conversor digital para analógico (DAC), usando capacitores MOS e chaves MOSFET para conversão de dados. O conversor analógico-digital (ADC) MOS e os chips DAC foram comercializados em 1974.

Os circuitos MOS SC levaram ao desenvolvimento de chips de filtro de codec de modulação por código de pulso (PCM) no final dos anos 1970. O chip de filtro codec PCM de silicon-gate CMOS (MOS complementar), desenvolvido por Hodges e WC Black em 1980, tem sido o padrão da indústria para telefonia digital . Na década de 1990, redes de telecomunicações , como a rede telefónica pública comutada (PSTN) tinha sido amplamente digitalizados com a integração de muito larga escala (VLSI) CMOS PCM codec-filtros, amplamente utilizado em sistemas de comutação electrónica para centrais telefônicas , trocas de filiais privadas ( PBX) e principais sistemas telefônicos (KTS); modems de usuário final ; aplicações de transmissão de dados , como operadoras de loop digital , multiplexadores de ganho de par , extensores de loop de telefone , terminais de rede digital de serviços integrados (ISDN), telefones digitais sem fio e telefones celulares digitais ; e aplicativos como equipamento de reconhecimento de voz , armazenamento de dados de voz , correio de voz e secretárias eletrônicas digitais sem fita . A largura de banda das redes de telecomunicações digitais tem aumentado rapidamente a uma taxa exponencial, conforme observado pela lei de Edholm , em grande parte impulsionada pelo rápido escalonamento e miniaturização da tecnologia MOS.

Circuitos RF CMOS

Artigo principal: RF CMOS

Enquanto trabalhava no Bell Labs no início dos anos 1980, o engenheiro paquistanês Asad Abidi trabalhou no desenvolvimento da tecnologia VLSI ( integração de muito grande escala ) MOSFET submícron MOSFET (metal-óxido-semicondutor de efeito de campo) VLSI ( integração em grande escala ) no Advanced LSI Development Lab, junto com Marty Lepselter, George E. Smith e Harry Bol. Como um dos poucos projetistas de circuito no laboratório, Abidi demonstrou o potencial da tecnologia de circuito integrado NMOS sub-mícron em circuitos de comunicação de alta velocidade e desenvolveu os primeiros amplificadores MOS para taxas de dados Gb / s em receptores de fibra óptica . O trabalho de Abidi foi inicialmente recebido com ceticismo dos proponentes do GaAs e transistores de junção bipolar , as tecnologias dominantes para circuitos de alta velocidade na época. Em 1985, ele ingressou na UCLA , onde foi pioneiro na tecnologia RF CMOS no final dos anos 1980. Seu trabalho mudou a maneira como os circuitos de RF seriam projetados, afastando-se dos transistores bipolares discretos e voltando -se para os circuitos integrados CMOS .

Abidi estava pesquisando circuitos CMOS analógicos para processamento de sinais e comunicações durante o final dos anos 1980 e início dos anos 1990. Em meados da década de 1990, a tecnologia RF CMOS da qual ele foi pioneiro foi amplamente adotada em redes sem fio , à medida que os telefones celulares começaram a ser amplamente utilizados. A partir de 2008, os transceptores de rádio em todos os dispositivos de rede sem fio e telefones celulares modernos são produzidos em massa como dispositivos RF CMOS.

Os processadores de banda base e transceptores de rádio em todos os dispositivos de rede sem fio modernos e telefones celulares são produzidos em massa usando dispositivos RF CMOS. Os circuitos RF CMOS são amplamente usados ​​para transmitir e receber sinais sem fio, em uma variedade de aplicações, como tecnologia de satélite (como GPS ), bluetooth , Wi-Fi , comunicação de campo próximo (NFC), redes móveis (como 3G , 4G e 5G ), transmissão terrestre e aplicações de radar automotivo , entre outros usos. A tecnologia RF CMOS é crucial para as comunicações sem fio modernas, incluindo redes sem fio e dispositivos de comunicação móvel .

Veja também

Referências

Leitura adicional