RF和混合信號設計的藝術與科學

　　在過去的幾十年中，混合信號集成電路(IC)設計一直是半導體行業(yè)最令人興奮、且在技術上最具挑戰(zhàn)的設計之一。在這期間，盡管半導體行業(yè)取得了不少的進步，但是一個永恒不變的需求是保證我們所處的模擬世界能夠與可運算的數字世界實現無縫對接，當前無處不在的移動環(huán)境和迅速崛起的物聯網(IoT)“再創(chuàng)新”的要求尤為如此。

　　當今全球半導體的市場份額約為3，200億美元，數字和存儲器IC約占這個市場的三分之二。摩爾定律(Moore‘s Law)和先進的CMOS處理技術驅動著這些IC的發(fā)展，每一年半導體器件成本會降低，集成度會增加。分立半導體和模擬半導體在全球半導體市場中約占到五分之一，主要使用比較陳舊的半導體處理技術，因為采用更新工藝生產核心模擬器件費用相當昂貴。

　　混合信號IC約占全球半導體市場的十分之一。這一估算數據取決于如何定義混合信號IC，通常的定義是：集成重要的模擬和數字功能為模擬世界提供接口的半導體器件。使用混合信號IC的例子包括片上系統(tǒng)(SoC)器件、蜂窩網絡、Wi-Fi、藍牙和無線個人局域網(WPAN)收發(fā)器、GPS、TV和AM/FM接收器、音頻和視頻轉換器、高級時鐘和振蕩器器件、網絡接口，以及最近出現的用于低速率無線個人局域網(LR-WPAN)的無線MCU.當所需的功能和模擬性能超越分立器件或者其他模擬方法實現，并且成本更低時，高集成度的混合信號IC解決方案就能夠替代已在半導體市場中建立的傳統(tǒng)技術。更重要的是，高集成度的混合信號將極大的降低系統(tǒng)制造商的工程難度，使得他們能夠更加關注核心應用，縮短產品上市時間。

　　設計和生產混合信號IC不是件易事，尤其是包含RF功能時尤為如此。之所以存在如此大規(guī)模獨立的模擬和分立IC市場，是因為模擬與數字IC相結合不是一個簡單、明了的過程。模擬和RF設計一直被認為是“黑色藝術”，因為它主要是從反復試驗中發(fā)展而來的，且通常憑直覺。然而，現代混合信號設計總比點金術更加科學。我們應當總是避免采用“蠻力”方式進行模擬集成，因為在IC開發(fā)過程中試錯法成本實在太高。

　　混合信號設計中的真正“藝術”必須對復雜系統(tǒng)中基礎物理交互作用如何顯現擁有深刻的理解，并且采用基于數字的穩(wěn)健并簡潔的設計方法。理想的方法應該聯合混合信號設計和數字信號處理，整合復雜、高靈敏和高性能的模擬電路和數字電路，且沒有性能損失。微線程數字CMOS工藝中強大的數字處理能力能夠用于校準和補償模擬缺陷和緩解不利影響，從而改善混合信號器件的速度、精度和功耗，并最終使成本和可用性也得以改進。

　　對于數字電路設計來說，摩爾定律保持著一貫的一致性，每兩年時間同等面積上可集成的晶體管數量將會翻一倍，并且該定律在深次微米技術時代依然保持部分適用。然而，摩爾定律通常并不適用于模擬電路，模擬IC采用的大規(guī)模擴展應用技術存在顯著的滯后。模擬器件仍在180nm及以上技術上進行設計和生產，這種情況并不罕見。事實上，IC制造工藝技術的擴展提升只是部分驅動了模擬電路的面積和功耗改進，而且有時甚至會成為設計阻礙。

　　實際上，更多的時候，模擬工藝等級提升通常是通過最小化不良影響(例如器件匹配不當、材料界面缺陷導致的噪音)實現的，這是工藝本身得以改進的結果。出于這個原因，混合信號設計人員更愿意采用比前沿科技落后一些的工藝，這些工藝仍然能夠通過采用一些最新技術進步來提升器件質量。換句話說，摩爾定律在模擬方面依舊落后于標準的數字方法。情況是不斷變化的，如果這個差距仍值得IC技術供應商去投資，數字/模擬技術間的差距可以得到部分彌補。

　　對于混合信號IC設計來說，最合適的制造工藝節(jié)點將是落后于最前沿的工藝技術，而且對工藝節(jié)點的選擇要權衡數個因素，最終取決于器件所包含的模擬和混合信號電路數量。確切地說，更數字化的混合信號設計方法使得設計人員能夠利用更先進的工藝節(jié)點，從而解決模擬電路集成中更具挑戰(zhàn)的商業(yè)難題之一“集成模擬能力同時降低成本”。許多領先的半導體公司的設計團隊正在積極改進混合信號設計的局限，嘗試創(chuàng)新的解決方案來迎接的挑戰(zhàn)。在新解決方案中，邏輯門和開關器件正在逐步替代放大電路和笨重的被動器件。

　　物聯網由眾多網絡節(jié)點構成，例如海量應用中用于數據收集和監(jiān)視的低成本、智能化和可連接傳感器和執(zhí)行器，這些應用通常能夠用于改善能源效率、安全、健康、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)流程控制、交通運輸和居住環(huán)境。到2020年，預計應用到IoT節(jié)點的器件數量將達到500億，而且僅僅幾十年后，這一數字將可能達到萬億級。這些天文級的市場數字也受限于工期、可制造性、能耗、維護以及最終的環(huán)境健康。除了極高的數量之外，所有IoT節(jié)點還必須具有小尺寸、低能耗和高安全性，并且對消費者來說這些節(jié)點通常難于觸及并維護。IoT節(jié)點通常必須在小型紐扣電池供電下工作十年或更長時間，或者依賴能源收集技術。

　　這些應用需求使得IoT節(jié)點成為先進的數字化混合信號設計技術的首選用武之地。理想的IoT節(jié)點應當采用最先進的混合信號電路連接到傳感器和執(zhí)行器。它們必須包含RF連接，使用非常節(jié)能的無線協議和最少的外部元件。它們還必須包含能量轉換器，以優(yōu)化電源效率和不同的化學電池或能源，所有這些特性通常可以通過更成熟的工藝節(jié)點獲得。同時，這些IoT節(jié)點將需要比較復雜的、超低能耗的計算資源和存儲器來存儲和執(zhí)行應用程序和網絡協議軟件，更出色的技術能夠更好的滿足這些運行需求。當前符合這些應用情景的一個范例是稱之為無線MCU的混合信號IC：一個易于使用、小尺寸、節(jié)能、高度集成的可連接計算器件，同時具有感應和激勵能力。

　　超低功耗無線MCU的大量出現對物聯網的發(fā)展是至關重要的。無線MCU為無所不在的IoT節(jié)點(從無線安全傳感器到數字照明控制)提供了智能、感應和連接性。混合信號設計的藝術與科學是下一代無線MCU發(fā)展的關鍵推力，它為模擬、RF和數字世界建立起溝通的橋梁，最大化發(fā)揮摩爾定律能量，而且不影響器件性能、成本、尺寸和功耗。