RF和混合信號設計的藝術(shù)與科學(xué)

　　在過(guò)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(shù)上最具挑戰的設計之一。在這期間，盡管半導體行業(yè)取得了不少的進(jìn)步，但是一個(gè)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(shí)現無(wú)縫對接，當前無(wú)處不在的移動(dòng)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。

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

　　混合信號IC約占全球半導體市場(chǎng)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(SoC)器件、蜂窩網(wǎng)絡(luò )、Wi-Fi、藍牙和無(wú)線(xiàn)個(gè)人局域網(wǎng)(WPAN)收發(fā)器、GPS、TV和AM/FM接收器、音頻和視頻轉換器、高級時(shí)鐘和振蕩器器件、網(wǎng)絡(luò )接口，以及最近出現的用于低速率無(wú)線(xiàn)個(gè)人局域網(wǎng)(LR-WPAN)的無(wú)線(xiàn)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(shí)現，并且成本更低時(shí)，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(chǎng)中建立的傳統技術(shù)。更重要的是，高集成度的混合信號將極大的降低系統制造商的工程難度，使得他們能夠更加關(guān)注核心應用，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

　　設計和生產(chǎn)混合信號IC不是件易事，尤其是包含RF功能時(shí)尤為如此。之所以存在如此大規模獨立的模擬和分立IC市場(chǎng)，是因為模擬與數字IC相結合不是一個(gè)簡(jiǎn)單、明了的過(guò)程。模擬和RF設計一直被認為是“黑色藝術(shù)”，因為它主要是從反復試驗中發(fā)展而來(lái)的，且通常憑直覺(jué)。然而，現代混合信號設計總比點(diǎn)金術(shù)更加科學(xué)。我們應當總是避免采用“蠻力”方式進(jìn)行模擬集成，因為在IC開(kāi)發(fā)過(guò)程中試錯法成本實(shí)在太高。

　　混合信號設計中的真正“藝術(shù)”必須對復雜系統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健并簡(jiǎn)潔的設計方法。理想的方法應該聯(lián)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(méi)有性能損失。微線(xiàn)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(jìn)。

　　對于數字電路設計來(lái)說(shuō)，摩爾定律保持著(zhù)一貫的一致性，每?jì)赡陼r(shí)間同等面積上可集成的晶體管數量將會(huì )翻一倍，并且該定律在深次微米技術(shù)時(shí)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采用的大規模擴展應用技術(shù)存在顯著(zhù)的滯后。模擬器件仍在180nm及以上技術(shù)上進(jìn)行設計和生產(chǎn)，這種情況并不罕見(jiàn)。事實(shí)上，IC制造工藝技術(shù)的擴展提升只是部分驅動(dòng)了模擬電路的面積和功耗改進(jìn)，而且有時(shí)甚至會(huì )成為設計阻礙。

　　實(shí)際上，更多的時(shí)候，模擬工藝等級提升通常是通過(guò)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(shí)現的，這是工藝本身得以改進(jìn)的結果。出于這個(gè)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(guò)采用一些最新技術(shù)進(jìn)步來(lái)提升器件質(zhì)量。換句話(huà)說(shuō)，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(gè)差距仍值得IC技術(shù)供應商去投資，數字/模擬技術(shù)間的差距可以得到部分彌補。

　　對于混合信號IC設計來(lái)說(shuō)，最合適的制造工藝節點(diǎn)將是落后于最前沿的工藝技術(shù)，而且對工藝節點(diǎn)的選擇要權衡數個(gè)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(shuō)，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(jìn)的工藝節點(diǎn)，從而解決模擬電路集成中更具挑戰的商業(yè)難題之一“集成模擬能力同時(shí)降低成本”。許多領(lǐng)先的半導體公司的設計團隊正在積極改進(jìn)混合信號設計的局限，嘗試創(chuàng )新的解決方案來(lái)迎接的挑戰。在新解決方案中，邏輯門(mén)和開(kāi)關(guān)器件正在逐步替代放大電路和笨重的被動(dòng)器件。

　　物聯(lián)網(wǎng)由眾多網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)構成，例如海量應用中用于數據收集和監視的低成本、智能化和可連接傳感器和執行器，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節點(diǎn)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(wàn)億級。這些天文級的市場(chǎng)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節點(diǎn)還必須具有小尺寸、低能耗和高安全性，并且對消費者來(lái)說(shuō)這些節點(diǎn)通常難于觸及并維護。IoT節點(diǎn)通常必須在小型紐扣電池供電下工作十年或更長(cháng)時(shí)間，或者依賴(lài)能源收集技術(shù)。

　　這些應用需求使得IoT節點(diǎn)成為先進(jìn)的數字化混合信號設計技術(shù)的首選用武之地。理想的IoT節點(diǎn)應當采用最先進(jìn)的混合信號電路連接到傳感器和執行器。它們必須包含RF連接，使用非常節能的無(wú)線(xiàn)協(xié)議和最少的外部元件。它們還必須包含能量轉換器，以?xún)?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^(guò)更成熟的工藝節點(diǎn)獲得。同時(shí)，這些IoT節點(diǎn)將需要比較復雜的、超低能耗的計算資源和存儲器來(lái)存儲和執行應用程序和網(wǎng)絡(luò )協(xié)議軟件，更出色的技術(shù)能夠更好的滿(mǎn)足這些運行需求。當前符合這些應用情景的一個(gè)范例是稱(chēng)之為無(wú)線(xiàn)MCU的混合信號IC：一個(gè)易于使用、小尺寸、節能、高度集成的可連接計算器件，同時(shí)具有感應和激勵能力。

　　超低功耗無(wú)線(xiàn)MCU的大量出現對物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展是至關(guān)重要的。無(wú)線(xiàn)MCU為無(wú)所不在的IoT節點(diǎn)(從無(wú)線(xiàn)安全傳感器到數字照明控制)提供了智能、感應和連接性?；旌闲盘栐O計的藝術(shù)與科學(xué)是下一代無(wú)線(xiàn)MCU發(fā)展的關(guān)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。