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(jìn)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(yùn)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(jìn)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(fèi)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(lán)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(dú)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(rèn)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(jìn)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(qiáng)大的數(shù)字處理能力能夠用于校準(zhǔn)和補(bǔ)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(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(kuò)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(jìn)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(kuò)展提升只是部分驅(qū)動了模擬電路的面積和功耗改進(jìn)，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(jìn)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(jìn)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(zhǔn)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(bǔ)。

　　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(jìn)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(tuán)隊正在積極改進(jìn)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(yùn)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(dá)到500億，而且僅僅幾十年后，這一數(shù)字將可能達(dá)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(hù)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(fèi)者來說這些節(jié)點通常難于觸及并維護(hù)。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(jìn)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(jìn)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(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(yùn)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?；旌闲盘栐O(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。