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混合讯号芯片的技术发展趋势
 

【作者: 誠君】2001年03月05日 星期一

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这几年来,混合讯号芯片(Mixed Signals Chip)随着通讯和多媒体应用市场的大量需求已经成为抢手货。这里所讨论的「混合讯号」并非指混合了模拟和数字讯号的芯片,而是指一些用数字电路实现模拟功能的组件。未来的系统级芯片(SoC)将是大型的混合讯号系统,它占市场的比例将会增加一倍,从目前的33%成长到2005年的66%;而且大多数混合讯号芯片是建立在超深次微米CMOS的大型数字芯片上,将来的ASICs会用到多达一千五百万个逻辑闸,只有少数无法数字化的模拟电路会被留在芯片之外,例如RF前端低杂音放大器(Low Noise Amplifier;LNA)、天线和电源供应系统等。


虽然目前在混合讯号的设计上,正在减少对模拟技术的关心,本质上是用数字电路执行模拟功能;但是在模拟技术中,特别是电源技术正起着更大的作用,不过本文仅简单说明模拟的定义,而着重于混合讯号芯片设计的发展趋势。


模拟与数字的区别

用0和1来代表数字,那模拟就是实数和虚数。用一个很简单的例子来解释这一点:在传统的模拟领域,只是控制电压和电流,用功率管理组件(开关调整器或低压降(LDO)线性调整器)可以在电流需要变动时保持电压电平的恒定,或用简单的放大器和讯号调节器将传感器传来的讯号电平提升到足够高,以驱动ADC或仪表。


在传统的数字领域中,只是对1和0计算(例如每秒数百万次的微处理器),理想情况下,获得数据和指令(由0和1组成),藉由它们进行某种组合的或数学上的运算,再将先前运算的结果传送到频率达100、200或400MHz的缓冲器和内存中。总之,模拟芯片只能处理电压和电流,而数字芯片只能处理大量的1和0,但他们都来自不相同的芯片。


混合技术IC的发展

在电路板上黏着SOT23封装的放大器或线路驱动器,而后黏着大型BGA封装的数字ASIC与花费多年试图将驱动器放到数字芯片中相比,更加容易且成本更低。稳定地完成将双极晶体管植入到CMOS低层基质中的制程,称作“混合技术”(指混合了模拟和数字讯号的芯片)。而有些精通BiCMOS制造技术的制造商如德州仪器(TI)、朗讯技术微电子集团,以及IBM微电子等则将这种制程用于射频应用硅锗(SiGe)晶体管。


一般而言,混合技术IC的制造成本比CMOS和双极晶体管分立组件成本要高。例如:采用双极或CMOS锁相环、电压控制振荡器、频率合成器和分立砷化镓天线驱动器制作射频收发信机。意法半导体(STMicroelectronics)等生产厂商,它们的BCD制程可将电源MOSFET与双极驱动晶体管、CMOS逻辑电路整合在一个芯片中。这一制程已成功地用于马达驱动器和硬盘驱动器(HDD)的磁头定位器等产品上,不过这类制造制程总会带来一些问题,所以还无法成为主流。典型的应用场合,包括对空间的考虑大大超过对成本限制的产品,如微型HDD等。


尽管工程师们正渴望着模拟和数字完全整合的应用芯片能早日诞生,但是为了克服成本限制,混合技术设计终究要被分成几个独立的组件,即偏模拟和偏数字部份须以独立的制程制造。而像美国国家半导体(National Semiconductor)及Linear Technology和美商美信(Maxim Integrated Products)等标准线性零配件供货商,仍会为专用的纯模拟技术保留着一席之地。


混合讯号IC的介绍

真正的混合讯号IC电路将采用通用的0.25μm或0.18μm CMOS制程制造,制造商通常是像台湾的台积电和联电,或新加坡的特许半导体(Chartered)等大规模生产厂商,其设计仍需要专门的技术。在通讯和多媒体应用中,讯号藉由数字化处理,不同于对电压和电流的控制,这里设计者必须能控制混入低电平讯号的噪声,如来自数百万个CMOS开关的杂音等等,设计者还必须精通数字滤波技术,即所谓的DSP。


下文将例举两家知名公司的混合讯号IC设计为案例:Broadcom公司将模拟和数字讯号处理的专门技术用于CMOS通讯电路中;及Cirrus Logic公司Crystal Products Division的CMOS多媒体电路,是将DSP专门技术嵌入在高速、高分辨率的数据转换器中。


混合讯号IC在以太网络上的应用

在新一代通讯电路中,例如音频处理器或硬盘驱动器,它们读取数据信道就有用到混合讯号IC。在一对非屏蔽的双绞铜线(UTP)中传递Giga-bits的以太网络讯号,符合铜线规范的Giga-bits以太网络采用8条线(4对)实现全双工同时工作,4条发、4条收。采用专用的编码方式,在四个信道内可传送1,000Mb/s的讯号,每个信道传送250Mb/s的讯号。


由于这些信道采用125MHz的频率,UTP电缆实际上已变成了天线,在4对双绞线中,每个125MHz的讯号都将辐射到相邻的线中,如何能从电缆的一端到另一端得到未消失的讯号呢?答案就是混合讯号IC。混合讯号IC不仅能在每一对在线恢复原发送的讯号,而且能滤掉近端、远程和相邻的反射干扰。


像Broadcom这样的公司掌握了大量DSP的专门技术,来控制Giga-bits以太网络物理层产生的干扰。朗讯公司则在建立其24频道的10/100以太网络物理层上利用了相似的技术,因为要在单个芯片上实现24个100Mb/s频道需要类似的噪声消除技术。


混合讯号IC在音频处理上的应用

Cirrus Logic公司在数字音频上的专门技术已经蜚声国际,但是当初他们需要在数字CMOS中设计出传统的模拟功能时,也曾煞费苦心。一开始他们将数字音频数据流转换成模拟讯号的方法,是将音频数据流逐bits地,藉由阻值成等比数列的电阻数组锁存,这些电阻的阻值代表了数据的位置,数据的最高位(MSB)和最低位(LSB)之间的比率因此可以得到。


这种做法仅需少量的晶体管(少到32个),但是薄膜电阻数组必须经激光处理过,以得取最高的精度,对16bits的动态范围(大约96dB)来说,LSB必须是MSB的65535(216)分之一,在生产上做这类处理的成本是很高的,因此无法作为消费类音频产品之应用,而且这种组件的精度一旦出厂后就很难保持。


后来Cirrus Logic Crystal Products Division使用完善的Sigma-delta转换技术,它是利用一种称作“噪声定形”的DSP技术,它检测数字音频流并询问:“如果不是44.1KHz的采样率(20KHz音频范围的两倍),而是采用12.5MHz的采样率,它看起来像什么?能达到256倍吗?”这时,在扩展的时间轴上会发生很多事。


首先,基本的量子噪声(ADC处理产生的)偏移到一个更高的频率(超出了音频范围),较容易滤掉;其次,从此次取样到下一次取样的振幅变化是平坦的,实际上,在振幅轴上的高分辨率被时间轴上的高分辨率所代替,但当讯号振幅完全平坦时,DAC唯一所需做的事,就是决定从此次取样到下一次取样的讯号方向(上或下),然后,对取样电容进行充电以精确地反映出这段时间内振幅的偏移。


与模拟数据转换器相比较,Sigma-Delta转换器是一种复杂的芯片,它不是32个晶体管,而是20,000个逻辑闸。然而,随着数字式CMOS的流行,制造它比制造一个模拟组件成本更低、精度更高。这时就无需把动态范围限制在16bits内,更可扩大至18、20或24bits的动态范围,120dB的能力几乎超出了人类听觉的范围,给专业的音效配乐和新一代消费产品带来了全面的希望。


结语

利用DSP在数字CMOS中执行模拟功能是主流技术,它在通讯和多媒体领域中会持续和广泛地被应用;这种技术也被用在非对称性数字用户回路(ADSL)上,即采用离散多音频(DMT)调变技术将1.5Mb/s的数据流放到普通的电话在线的混合讯号IC;它还被用于家里的普通电话在线实现10Mb/s的网络传输;在HDD方面,藉由增加读写磁头和磁盘间的数据传输率(已高达1Giga-bits)使每一片磁盘的储存容量成倍数增加;此外,它也正踏入嵌入式系统市场中,例如MPC850,台湾半导体业者绝不可不重视它。


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