RF和混合信号设计解析

在过去的几十年中，混合信号集成电路（IC）设计一直是半导体行业最令人兴奋、且在技术上最具挑战的设计之一。在这期间，尽管半导体行业取得了不少的进步，但是一个永恒不变的需求是保证我们所处的模拟世界能够与可运算的数字世界实现无缝对接，当前无处不在的移动环境和迅速崛起的物联网（IoT）“再创新”的要求尤为如此。
　　当今全球半导体的市场份额约为3，200亿美元，数字和存储器IC约占这个市场的三分之二。摩尔定律（Moore‘s Law）和先进的CMOS处理技术驱动着这些IC的发展，每一年半导体器件成本会降低，集成度会增加。分立半导体和模拟半导体在全球半导体市场中约占到五分之一，主要使用比较陈旧的半导体处理技术，因为采用更新工艺生产核心模拟器件费用相当昂贵。
　　混合信号IC约占全球半导体市场的十分之一。这一估算数据取决于如何定义混合信号IC，通常的定义是：集成重要的模拟和数字功能为模拟世界提供接口的半导体器件。使用混合信号IC的例子包括片上系统（SoC）器件、蜂窝网络、Wi-Fi、蓝牙和无线个人局域网（WPAN）收发器、GPS、TV和AM/FM接收器、音频和视频转换器、高级时钟和振荡器器件、网络接口，以及最近出现的用于低速率无线个人局域网（LR-WPAN）的无线MCU.当所需的功能和模拟性能超越分立器件或者其他模拟方法实现，并且成本更低时，高集成度的混合信号IC解决方案就能够替代已在半导体市场中建立的传统技术。更重要的是，高集成度的混合信号将极大的降低系统制造商的工程难度，使得他们能够更加关注核心应用，缩短产品上市时间。
　　设计和生产混合信号IC不是件易事，尤其是包含RF功能时尤为如此。之所以存在如此大规模独立的模拟和分立IC市场，是因为模拟与数字IC相结合不是一个简单、明了的过程。模拟和RF设计一直被认为是“黑色艺术”，因为它主要是从反复试验中发展而来的，且通常凭直觉。然而，现代混合信号设计总比点金术更加科学。我们应当总是避免采用“蛮力”方式进行模拟集成，因为在IC开发过程中试错法成本实在太高。
　　混合信号设计中的真正“艺术”必须对复杂系统中基础物理交互作用如何显现拥有深刻的理解，并且采用基于数字的稳健并简洁的设计方法。理想的方法应该联合混合信号设计和数字信号处理，整合复杂、高灵敏和高性能的模拟电路和数字电路，且没有性能损失。微线程数字CMOS工艺中强大的数字处理能力能够用于校准和补偿模拟缺陷和缓解不利影响，从而改善混合信号器件的速度、精度和功耗，并最终使成本和可用性也得以改进。
　　对于数字电路设计来说，摩尔定律保持着一贯的一致性，每两年时间同等面积上可集成的晶体管数量将会翻一倍，并且该定律在深次微米技术时代依然保持部分适用。然而，摩尔定律通常并不适用于模拟电路，模拟IC采用的大规模扩展应用技术存在显著的滞后。模拟器件仍在180nm及以上技术上进行设计和生产，这种情况并不罕见。事实上，IC制造工艺技术的扩展提升只是部分驱动了模拟电路的面积和功耗改进，而且有时甚至会成为设计阻碍。
　　实际上，更多的时候，模拟工艺等级提升通常是通过最小化不良影响（例如器件匹配不当、材料界面缺陷导致的噪音）实现的，这是工艺本身得以改进的结果。出于这个原因，混合信号设计人员更愿意采用比前沿科技落后一些的工艺，这些工艺仍然能够通过采用一些最新技术进步来提升器件质量。换句话说，摩尔定律在模拟方面依旧落后于标准的数字方法。情况是不断变化的，如果这个差距仍值得IC技术供应商去投资，数字/模拟技术间的差距可以得到部分弥补。
　　对于混合信号IC设计来说，最合适的制造工艺节点将是落后于最前沿的工艺技术，而且对工艺节点的选择要权衡数个因素，最终取决于器件所包含的模拟和混合信号电路数量。确切地说，更数字化的混合信号设计方法使得设计人员能够利用更先进的工艺节点，从而解决模拟电路集成中更具挑战的商业难题之一“集成模拟能力同时降低成本”。许多领先的半导体公司的设计团队正在积极改进混合信号设计的局限，尝试创新的解决方案来迎接的挑战。在新解决方案中，逻辑门和开关器件正在逐步替代放大电路和笨重的被动器件。
　　物联网由众多网络节点构成，例如海量应用中用于数据收集和监视的低成本、智能化和可连接传感器和执行器，这些应用通常能够用于改善能源效率、安全、健康、环境监测、工业流程控制、交通运输和居住环境。到2020年，预计应用到IoT节点的器件数量将达到500亿，而且仅仅几十年后，这一数字将可能达到万亿级。这些天文级的市场数字也受限于工期、可制造性、能耗、维护以及最终的环境健康。除了极高的数量之外，所有IoT节点还必须具有小尺寸、低能耗和高安全性，并且对消费者来说这些节点通常难于触及并维护。IoT节点通常必须在小型纽扣电池供电下工作十年或更长时间，或者依赖能源收集技术。
　　这些应用需求使得IoT节点成为先进的数字化混合信号设计技术的首选用武之地。理想的IoT节点应当采用最先进的混合信号电路连接到传感器和执行器。它们必须包含RF连接，使用非常节能的无线协议和最少的外部元件。它们还必须包含能量转换器，以优化电源效率和不同的化学电池或能源，所有这些特性通常可以通过更成熟的工艺节点获得。同时，这些IoT节点将需要比较复杂的、超低能耗的计算资源和存储器来存储和执行应用程序和网络协议软件，更出色的技术能够更好的满足这些运行需求。当前符合这些应用情景的一个范例是称之为无线MCU的混合信号IC：一个易于使用、小尺寸、节能、高度集成的可连接计算器件，同时具有感应和激励能力。
　　超低功耗无线MCU的大量出现对物联网的发展是至关重要的。无线MCU为无所不在的IoT节点（从无线安全传感器到数字照明控制）提供了智能、感应和连接性。混合信号设计的艺术与科学是下一代无线MCU发展的关键推力，它为模拟、RF和数字世界建立起沟通的桥梁，最大化发挥摩尔定律能量，而且不影响器件性能、成本、尺寸和功耗。