數(shù)字和存儲(chǔ) IC 約占當(dāng)今全球約 3200 億美元的半導(dǎo)體市場(chǎng)的三分之二。這些 IC 由摩爾定律和尖端 CMOS 工藝技術(shù)驅(qū)動(dòng)，每年都在降低成本并提高半導(dǎo)體器件的集成度。分立和模擬半導(dǎo)體約占全球半導(dǎo)體市場(chǎng)的五分之一，主要由較舊的半導(dǎo)體工藝技術(shù)提供服務(wù)，因?yàn)樵谳^新的工藝節(jié)點(diǎn)中制造核心模擬組件的成本很高。

混合信號(hào) IC 約占全球半導(dǎo)體市場(chǎng)的十分之一。這一估計(jì)取決于您如何計(jì)算混合信號(hào) IC，它可以定義為集成了重要的模擬和數(shù)字功能以提供與模擬世界的接口的半導(dǎo)體器件。混合信號(hào) IC 的主要示例包括片上系統(tǒng) （SoC） 設(shè)備；蜂窩、Wi-Fi、藍(lán)牙和無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò) （WPAN） 收發(fā)器；GPS、電視和AM/FM接收器；音頻和視頻轉(zhuǎn)換器；先進(jìn)的時(shí)鐘和振蕩器設(shè)備；網(wǎng)絡(luò)接口；以及最近的低速率 WPAN （LR-WPAN） 無(wú)線 MCU。當(dāng)所需的功能和模擬性能能夠以比分立或其他模擬方法更低的成本實(shí)現(xiàn)時(shí)，高度集成的混合信號(hào) IC 解決方案通常會(huì)取代成熟的半導(dǎo)體市場(chǎng)中的傳統(tǒng)技術(shù)。更重要的是，高水平的混合信號(hào)集成極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)制造商所需的工程設(shè)計(jì)，使他們能夠?qū)Ｗ⒂诤诵膽?yīng)用并更快地進(jìn)入市場(chǎng)。

設(shè)計(jì)混合信號(hào) IC

混合信號(hào) IC 的設(shè)計(jì)和制造并不容易，尤其是當(dāng)它們包含 RF 功能時(shí)。存在一個(gè)龐大的獨(dú)立模擬和分立 IC 市場(chǎng)，因?yàn)槟M與數(shù)字 IC 的集成不是一個(gè)簡(jiǎn)單、直接的過程。模擬和射頻設(shè)計(jì)通常被稱為“黑色藝術(shù)”，因?yàn)槠渲写蟛糠滞ǔＪ峭ㄟ^反復(fù)試驗(yàn)完成的，而且通常是靠直覺完成的。然而，現(xiàn)代混合信號(hào)設(shè)計(jì)應(yīng)該始終被認(rèn)為比煉金術(shù)更科學(xué)。應(yīng)始終避免“蠻力”模擬集成，因?yàn)樵?IC 開發(fā)中反復(fù)試驗(yàn)是一個(gè)非常昂貴的過程。

混合信號(hào)設(shè)計(jì)中真正的“藝術(shù)”必須源于對(duì)底層物理交互方式的深刻理解。? 現(xiàn)象體現(xiàn)在復(fù)雜的系統(tǒng)中，結(jié)合以數(shù)字為中心的方法的穩(wěn)健而優(yōu)雅的設(shè)計(jì)方法。理想的方法將混合信號(hào)設(shè)計(jì)和數(shù)字信號(hào)處理統(tǒng)一起來(lái)，并能夠集成復(fù)雜、高靈敏度和高性能的模擬和數(shù)字電路，而無(wú)需進(jìn)行預(yù)期的折衷。細(xì)線數(shù)字 CMOS 工藝中強(qiáng)大的數(shù)字處理功能可用于校準(zhǔn)和補(bǔ)償模擬缺陷并減少不需要的相互作用，從而提高混合信號(hào)設(shè)備的速度、精度、功耗，并最終降低成本和可用性。

摩爾定律對(duì)于數(shù)字電路設(shè)計(jì)非常一致，每?jī)赡暝诮o定區(qū)域內(nèi)將晶體管數(shù)量翻一番，并且在深亞微米技術(shù)時(shí)代仍然部分適用。但是，該定律通常不適用于模擬電路，導(dǎo)致在模擬 IC 采用規(guī)模化技術(shù)方面存在顯著滯后。模擬設(shè)備仍在設(shè)計(jì)和制造的情況并不少見 o ?180 nm 技術(shù)及以上。現(xiàn)實(shí)情況是，工藝技術(shù)的縮放僅部分推動(dòng)了模擬電路中的面積和功率縮放，有時(shí)甚至成為設(shè)計(jì)障礙。實(shí)際上，模擬縮放通常是由最小化不需要的影響（例如統(tǒng)計(jì)設(shè)備不匹配或材料界面缺陷導(dǎo)致的噪聲）驅(qū)動(dòng)的，這是過程本身質(zhì)量改進(jìn)的結(jié)果。出于這個(gè)原因，混合信號(hào)設(shè)計(jì)人員更喜歡依賴那些落后于工藝技術(shù)前沿幾步之遙的工藝，這些工藝仍然可以通過依賴一些最新的技術(shù)進(jìn)步來(lái)提高設(shè)備質(zhì)量。換句話說(shuō)，摩爾定律的模擬方面落后于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字方法。情況更加動(dòng)態(tài)，

圖 1：以數(shù)字為中心的混合信號(hào)方法縮小了與摩爾定律極限的差距。

最適合混合信號(hào) IC 設(shè)計(jì)的制造工藝節(jié)點(diǎn)落后于工藝技術(shù)的前沿，節(jié)點(diǎn)的選擇是多個(gè)因素的權(quán)衡，最終取決于包含的模擬和混合信號(hào)電路的數(shù)量設(shè)備。更準(zhǔn)確地說(shuō)，更加以數(shù)字為中心的混合信號(hào)設(shè)計(jì)方法使設(shè)計(jì)人員能夠利用更先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)來(lái)解決模擬電路集成中最具挑戰(zhàn)性的商業(yè)問題之一——集成模擬以降低成本同時(shí)增加功能的能力。

物聯(lián)網(wǎng)和混合信號(hào)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)聚合了物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，即非常低成本、智能和連接的傳感器和執(zhí)行器，用于在提高能源效率、安全、醫(yī)療保健、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)過程控制、運(yùn)輸、和一般的宜居性。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)預(yù)計(jì)到 2020 年將達(dá)到 500 億臺(tái)設(shè)備，并可能在幾十年后達(dá)到一萬(wàn)億的門檻。這些天文數(shù)字在工程、可制造性、能源消耗、維護(hù)以及最終我們環(huán)境的健康方面構(gòu)成了嚴(yán)重的限制。除了大量可用之外，所有這些物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)都必須非常小、節(jié)能且安全，并且消費(fèi)者通常不容易接觸到它們進(jìn)行維護(hù)。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通常必須使用非常小的紐扣電池運(yùn)行十年或更長(zhǎng)時(shí)間，或者可能依賴能量收集技術(shù)。

這些應(yīng)用要求使物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)成為非常先進(jìn)的以數(shù)字為中心的混合信號(hào)設(shè)計(jì)技術(shù)的最終候選者。理想的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)將需要最先進(jìn)的混合信號(hào)電路來(lái)連接傳感器和執(zhí)行器。它們必須包括射頻連接，使用非常節(jié)能的無(wú)線協(xié)議，并且需要最少的外部組件。它們還必須包括功率轉(zhuǎn)換器，以優(yōu)化功率效率并應(yīng)對(duì)不同的電池化學(xué)或能源，所有這些特性通常可以通過更成熟的工藝節(jié)點(diǎn)獲得。同時(shí)，這些物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)將需要適度復(fù)雜、超低功耗的計(jì)算資源和內(nèi)存來(lái)存儲(chǔ)和執(zhí)行應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件，這最好通過更精細(xì)的技術(shù)來(lái)解決。這種范式的當(dāng)前實(shí)例是一種混合信號(hào) IC，它被廣泛稱為無(wú)線 MCU：一種易于使用、占地面積小、節(jié)能且高度集成的連接計(jì)算設(shè)備，具有傳感和驅(qū)動(dòng)能力。

超低功耗無(wú)線 MCU 的普及對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展至關(guān)重要。無(wú)線 MCU 為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)提供大腦、傳感和連接，從無(wú)線安全傳感器到數(shù)字照明控制。混合信號(hào)設(shè)計(jì)的藝術(shù)和科學(xué)是開發(fā)下一代無(wú)線 MCU 的關(guān)鍵推動(dòng)力，它連接了模擬、射頻和數(shù)字世界，并最大限度地利用摩爾定律的力量，而不會(huì)影響性能、成本、尺寸、或功耗。

審核編輯：郭婷