射频与混合信号设计的艺术与科学

数字和存储 IC 约占当今全球约 3200 亿美元的半导体市场的三分之二。这些 IC 由摩尔定律和尖端 CMOS 工艺技术驱动，每年都在降低成本并提高半导体器件的集成度。分立和模拟半导体约占全球半导体市场的五分之一，主要由较旧的半导体工艺技术提供服务，因为在较新的工艺节点中制造核心模拟组件的成本很高。

混合信号 IC 约占全球半导体市场的十分之一。这一估计取决于您如何计算混合信号 IC，它可以定义为集成了重要的模拟和数字功能以提供与模拟世界的接口的半导体器件。混合信号 IC 的主要示例包括片上系统 （SoC） 设备；蜂窝、Wi-Fi、蓝牙和无线个人区域网络 （WPAN） 收发器；GPS、电视和AM/FM接收器；音频和视频转换器；先进的时钟和振荡器设备；网络接口；以及最近的低速率 WPAN （LR-WPAN） 无线 MCU。当所需的功能和模拟性能能够以比分立或其他模拟方法更低的成本实现时，高度集成的混合信号 IC 解决方案通常会取代成熟的半导体市场中的传统技术。更重要的是，高水平的混合信号集成极大地简化了系统制造商所需的工程设计，使他们能够专注于核心应用并更快地进入市场。

设计混合信号 IC

混合信号 IC 的设计和制造并不容易，尤其是当它们包含 RF 功能时。存在一个庞大的独立模拟和分立 IC 市场，因为模拟与数字 IC 的集成不是一个简单、直接的过程。模拟和射频设计通常被称为“黑色艺术”，因为其中大部分通常是通过反复试验完成的，而且通常是靠直觉完成的。然而，现代混合信号设计应该始终被认为比炼金术更科学。应始终避免“蛮力”模拟集成，因为在 IC 开发中反复试验是一个非常昂贵的过程。

混合信号设计中真正的“艺术”必须源于对底层物理交互方式的深刻理解。• 现象体现在复杂的系统中，结合以数字为中心的方法的稳健而优雅的设计方法。理想的方法将混合信号设计和数字信号处理统一起来，并能够集成复杂、高灵敏度和高性能的模拟和数字电路，而无需进行预期的折衷。细线数字 CMOS 工艺中强大的数字处理功能可用于校准和补偿模拟缺陷并减少不需要的相互作用，从而提高混合信号设备的速度、精度、功耗，并最终降低成本和可用性。

摩尔定律对于数字电路设计非常一致，每两年在给定区域内将晶体管数量翻一番，并且在深亚微米技术时代仍然部分适用。但是，该定律通常不适用于模拟电路，导致在模拟 IC 采用规模化技术方面存在显着滞后。模拟设备仍在设计和制造的情况并不少见 o •180 nm 技术及以上。现实情况是，工艺技术的缩放仅部分推动了模拟电路中的面积和功率缩放，有时甚至成为设计障碍。实际上，模拟缩放通常是由最小化不需要的影响（例如统计设备不匹配或材料界面缺陷导致的噪声）驱动的，这是过程本身质量改进的结果。出于这个原因，混合信号设计人员更喜欢依赖那些落后于工艺技术前沿几步之遥的工艺，这些工艺仍然可以通过依赖一些最新的技术进步来提高设备质量。换句话说，摩尔定律的模拟方面落后于标准数字方法。情况更加动态，

图 1：以数字为中心的混合信号方法缩小了与摩尔定律极限的差距。

最适合混合信号 IC 设计的制造工艺节点落后于工艺技术的前沿，节点的选择是多个因素的权衡，最终取决于包含的模拟和混合信号电路的数量设备。更准确地说，更加以数字为中心的混合信号设计方法使设计人员能够利用更先进的工艺节点来解决模拟电路集成中最具挑战性的商业问题之一——集成模拟以降低成本同时增加功能的能力。

物联网和混合信号设计

物联网聚合了物联网节点网络，即非常低成本、智能和连接的传感器和执行器，用于在提高能源效率、安全、医疗保健、环境监测、工业过程控制、运输、和一般的宜居性。物联网节点预计到 2020 年将达到 500 亿台设备，并可能在几十年后达到一万亿的门槛。这些天文数字在工程、可制造性、能源消耗、维护以及最终我们环境的健康方面构成了严重的限制。除了大量可用之外，所有这些物联网节点都必须非常小、节能且安全，并且消费者通常不容易接触到它们进行维护。物联网节点通常必须使用非常小的纽扣电池运行十年或更长时间，或者可能依赖能量收集技术。

这些应用要求使物联网节点成为非常先进的以数字为中心的混合信号设计技术的最终候选者。理想的物联网节点将需要最先进的混合信号电路来连接传感器和执行器。它们必须包括射频连接，使用非常节能的无线协议，并且需要最少的外部组件。它们还必须包括功率转换器，以优化功率效率并应对不同的电池化学或能源，所有这些特性通常可以通过更成熟的工艺节点获得。同时，这些物联网节点将需要适度复杂、超低功耗的计算资源和内存来存储和执行应用程序和网络协议软件，这最好通过更精细的技术来解决。这种范式的当前实例是一种混合信号 IC，它被广泛称为无线 MCU：一种易于使用、占地面积小、节能且高度集成的连接计算设备，具有传感和驱动能力。

超低功耗无线 MCU 的普及对于物联网的发展至关重要。无线 MCU 为物联网节点提供大脑、传感和连接，从无线安全传感器到数字照明控制。混合信号设计的艺术和科学是开发下一代无线 MCU 的关键推动力，它连接了模拟、射频和数字世界，并最大限度地利用摩尔定律的力量，而不会影响性能、成本、尺寸、或功耗。

审核编辑：郭婷