RF和混合信號設(shè)計的藝術(shù)與科學(xué)

　　在過去的幾十年中，混合信號集成電路(IC)設(shè)計一直是半導(dǎo)體行業(yè)最令人興奮、且在技術(shù)上最具挑戰(zhàn)的設(shè)計之一。在這期間，盡管半導(dǎo)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(shù)字世界實現(xiàn)無縫對接，當(dāng)前無處不在的移動環(huán)境和迅速崛起的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)“再創(chuàng)新”的要求尤為如此。

　　當(dāng)今全球半導(dǎo)體的市場份額約為3，200億美元，數(shù)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(shù)驅(qū)動著這些IC的發(fā)展，每一年半導(dǎo)體器件成本會降低，集成度會增加。分立半導(dǎo)體和模擬半導(dǎo)體在全球半導(dǎo)體市場中約占到五分之一，主要使用比較陳舊的半導(dǎo)體處理技術(shù)，因為采用更新工藝生產(chǎn)核心模擬器件費用相當(dāng)昂貴。

　　混合信號IC約占全球半導(dǎo)體市場的十分之一。這一估算數(shù)據(jù)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(shù)字功能為模擬世界提供接口的半導(dǎo)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(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi、藍牙和無線個人局域網(wǎng)(WPAN)收發(fā)器、GPS、TV和AM/FM接收器、音頻和視頻轉(zhuǎn)換器、高級時鐘和振蕩器器件、網(wǎng)絡(luò)接口，以及最近出現(xiàn)的用于低速率無線個人局域網(wǎng)(LR-WPAN)的無線MCU.當(dāng)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(xiàn)，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(dǎo)體市場中建立的傳統(tǒng)技術(shù)。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(guān)注核心應(yīng)用，縮短產(chǎn)品上市時間。

　　設(shè)計和生產(chǎn)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(shù)字IC相結(jié)合不是一個簡單、明了的過程。模擬和RF設(shè)計一直被認為是“黑色藝術(shù)”，因為它主要是從反復(fù)試驗中發(fā)展而來的，且通常憑直覺。然而，現(xiàn)代混合信號設(shè)計總比點金術(shù)更加科學(xué)。我們應(yīng)當(dāng)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(shè)計中的真正“藝術(shù)”必須對復(fù)雜系統(tǒng)中基礎(chǔ)物理交互作用如何顯現(xiàn)擁有深刻的理解，并且采用基于數(shù)字的穩(wěn)健并簡潔的設(shè)計方法。理想的方法應(yīng)該聯(lián)合混合信號設(shè)計和數(shù)字信號處理，整合復(fù)雜、高靈敏和高性能的模擬電路和數(shù)字電路，且沒有性能損失。微線程數(shù)字CMOS工藝中強大的數(shù)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(shù)字電路設(shè)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(shù)量將會翻一倍，并且該定律在深次微米技術(shù)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(yīng)用技術(shù)存在顯著的滯后。模擬器件仍在180nm及以上技術(shù)上進行設(shè)計和生產(chǎn)，這種情況并不罕見。事實上，IC制造工藝技術(shù)的擴展提升只是部分驅(qū)動了模擬電路的面積和功耗改進，而且有時甚至?xí)蔀樵O(shè)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(dāng)、材料界面缺陷導(dǎo)致的噪音)實現(xiàn)的，這是工藝本身得以改進的結(jié)果。出于這個原因，混合信號設(shè)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(shù)進步來提升器件質(zhì)量。換句話說，摩爾定律在模擬方面依舊落后于標(biāo)準的數(shù)字方法。情況是不斷變化的，如果這個差距仍值得IC技術(shù)供應(yīng)商去投資，數(shù)字/模擬技術(shù)間的差距可以得到部分彌補。

　　對于混合信號IC設(shè)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(shù)，而且對工藝節(jié)點的選擇要權(quán)衡數(shù)個因素，最終取決于器件所包含的模擬和混合信號電路數(shù)量。確切地說，更數(shù)字化的混合信號設(shè)計方法使得設(shè)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(lǐng)先的半導(dǎo)體公司的設(shè)計團隊正在積極改進混合信號設(shè)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(guān)器件正在逐步替代放大電路和笨重的被動器件。

　　物聯(lián)網(wǎng)由眾多網(wǎng)絡(luò)節(jié)點構(gòu)成，例如海量應(yīng)用中用于數(shù)據(jù)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(yīng)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(yù)計應(yīng)用到IoT節(jié)點的器件數(shù)量將達到500億，而且僅僅幾十年后，這一數(shù)字將可能達到萬億級。這些天文級的市場數(shù)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(shù)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(shù)。

　　這些應(yīng)用需求使得IoT節(jié)點成為先進的數(shù)字化混合信號設(shè)計技術(shù)的首選用武之地。理想的IoT節(jié)點應(yīng)當(dāng)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(xié)議和最少的外部元件。它們還必須包含能量轉(zhuǎn)換器，以優(yōu)化電源效率和不同的化學(xué)電池或能源，所有這些特性通?？梢酝ㄟ^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(fù)雜的、超低能耗的計算資源和存儲器來存儲和執(zhí)行應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件，更出色的技術(shù)能夠更好的滿足這些運行需求。當(dāng)前符合這些應(yīng)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(yīng)和激勵能力。

　　超低功耗無線MCU的大量出現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展是至關(guān)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(shù)字照明控制)提供了智能、感應(yīng)和連接性。混合信號設(shè)計的藝術(shù)與科學(xué)是下一代無線MCU發(fā)展的關(guān)鍵推力，它為模擬、RF和數(shù)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。