這幾年來，混合訊號晶片(Mixed Signals Chip)隨著通訊和多媒體應用市場的大量需求已經成為搶手貨。這裏所討論的「混合訊號」並非指混合了類比和數位訊號的晶片，而是指一些用數位電路實現類比功能的元件。未來的系統級晶片(SoC)將是大型的混合訊號系統，它佔市場的比例將會增加一倍，從目前的33%成長到2005年的66%；而且大多數混合訊號晶片是建立在超深次微米CMOS的大型數位晶片上，將來的ASICs會用到多達一千五百萬個邏輯閘，只有少數無法數位化的類比電路會被留在晶片之外，例如RF前端低雜音放大器(Low Noise Amplifier;LNA)、天線和電源供應系統等。

雖然目前在混合訊號的設計上，正在減少對類比技術的關心，本質上是用數位電路執行類比功能；但是在類比技術中，特別是電源技術正起著更大的作用，不過本文僅簡單說明類比的定義，而著重於混合訊號晶片設計的發展趨勢。

類比與數位的區別

用0和1來代表數位，那類比就是實數和虛數。用一個很簡單的例子來解釋這一點：在傳統的類比領域，只是控制電壓和電流，用功率管理元件(開關調整器或低壓降(LDO)線性調整器)可以在電流需要變動時保持電壓電平的恒定，或用簡單的放大器和訊號調節器將感測器傳來的訊號電平提升到足夠高，以驅動ADC或儀表。

在傳統的數位領域中，只是對1和0計算(例如每秒數百萬次的微處理器)，理想情況下，獲得數據和指令(由0和1組成)，藉由它們進行某種組合的或數學上的運算，再將先前運算的結果傳送到頻率達100、200或400MHz的緩衝器和記憶體中。總之，類比晶片只能處理電壓和電流，而數位晶片只能處理大量的1和0，但他們都來自不相同的晶片。

混合技術IC的發展

在電路板上黏著SOT23封裝的放大器或線路驅動器，而後黏著大型BGA封裝的數位ASIC與花費多年試圖將驅動器放到數位晶片中相比，更加容易且成本更低。穩定地完成將雙極電晶體植入到CMOS低層基質中的製程，稱作“混合技術”(指混合了類比和數位訊號的晶片)。而有些精通BiCMOS製造技術的製造商如德州儀器(TI)、朗訊技術微電子集團，以及IBM微電子等則將這種製程用於射頻應用矽鍺(SiGe)電晶體。

一般而言，混合技術IC的製造成本比CMOS和雙極電晶體分立元件成本要高。例如：採用雙極或CMOS鎖相環、電壓控制振盪器、頻率合成器和分立砷化鎵天線驅動器製作射頻收發信機。意法半導體(STMicroelectronics)等生產廠商，它們的BCD製程可將電源MOSFET與雙極驅動電晶體、CMOS邏輯電路整合在一個晶片中。這一製程已成功地用於馬達驅動器和硬碟驅動器(HDD)的磁頭定位器等產品上，不過這類製造製程總會帶來一些問題，所以還無法成為主流。典型的應用場合，包括對空間的考慮大大超過對成本限制的產品，如微型HDD等。

盡管工程師們正渴望著類比和數位完全整合的應用晶片能早日誕生，但是為了克服成本限制，混合技術設計終究要被分成幾個獨立的元件，即偏類比和偏數位部份須以獨立的製程製造。而像美國國家半導體(National Semiconductor)及Linear Technology和美商美信(Maxim Integrated Products)等標準線性零配件供應商，仍會為專用的純類比技術保留著一席之地。

混合訊號IC的介紹

真正的混合訊號IC電路將採用通用的0.25μm或0.18μm CMOS製程製造，製造商通常是像台灣的台積電和聯電，或新加坡的特許半導體(Chartered)等大規模生產廠商，其設計仍需要專門的技術。在通訊和多媒體應用中，訊號藉由數位化處理，不同於對電壓和電流的控制，這裏設計者必須能控制混入低電平訊號的噪聲，如來自數百萬個CMOS開關的雜音等等，設計者還必須精通數位濾波技術，即所謂的DSP。

下文將例舉兩家知名公司的混合訊號IC設計為案例：Broadcom公司將類比和數位訊號處理的專門技術用於CMOS通訊電路中；及Cirrus Logic公司Crystal Products Division的CMOS多媒體電路，是將DSP專門技術嵌入在高速、高解析度的數據轉換器中。

混合訊號IC在乙太網路上的應用

在新一代通訊電路中，例如音頻處理器或硬碟驅動器，它們讀取數據通道就有用到混合訊號IC。在一對非屏蔽的雙絞銅線(UTP)中傳遞Giga-bits的乙太網路訊號，符合銅線規範的Giga-bits乙太網路採用8條線(4對)實現全雙工同時工作，4條發、4條收。採用專用的編碼方式，在四個通道內可傳送1,000Mb/s的訊號，每個通道傳送250Mb/s的訊號。

由於這些通道採用125MHz的時脈，UTP電纜實際上已變成了天線，在4對雙絞線中，每個125MHz的訊號都將輻射到相鄰的線中，如何能從電纜的一端到另一端得到未消失的訊號呢？答案就是混合訊號IC。混合訊號IC不僅能在每一對線上恢復原發送的訊號，而且能濾掉近端、遠端和相鄰的反射干擾。

像Broadcom這樣的公司掌握了大量DSP的專門技術，來控制Giga-bits乙太網路實體層產生的干擾。朗訊公司則在建立其24頻道的10/100乙太網路實體層上利用了相似的技術，因為要在單個晶片上實現24個100Mb/s頻道需要類似的噪聲消除技術。

混合訊號IC在音頻處理上的應用

Cirrus Logic公司在數位音頻上的專門技術已經蜚聲國際，但是當初他們需要在數位CMOS中設計出傳統的類比功能時，也曾煞費苦心。一開始他們將數位音頻數據流轉換成類比訊號的方法，是將音頻數據流逐bits地，藉由阻值成等比數列的電阻陣列鎖存，這些電阻的阻值代表了數據的位置，數據的最高位(MSB)和最低位(LSB)之間的比率因此可以得到。

這種做法僅需少量的電晶體(少到32個)，但是薄膜電阻陣列必須經激光處理過，以得取最高的精度，對16bits的動態範圍(大約96dB)來說，LSB必須是MSB的65535(216)分之一，在生產上做這類處理的成本是很高的，因此無法作為消費類音頻產品之應用，而且這種元件的精度一旦出廠後就很難保持。

後來Cirrus Logic Crystal Products Division使用完善的Sigma-delta轉換技術，它是利用一種稱作“噪聲定形”的DSP技術，它檢測數位音頻流並詢問：“如果不是44.1KHz的採樣率(20KHz音頻範圍的兩倍)，而是採用12.5MHz的採樣率，它看起來像什麼？能達到256倍嗎？”這時，在擴展的時間軸上會發生很多事。

首先，基本的量子噪聲(ADC處理產生的)偏移到一個更高的頻率(超出了音頻範圍)，較容易濾掉；其次，從此次取樣到下一次取樣的振幅變化是平坦的，實際上，在振幅軸上的高解析度被時間軸上的高解析度所代替，但當訊號振幅完全平坦時，DAC唯一所需做的事，就是決定從此次取樣到下一次取樣的訊號方向(上或下)，然後，對取樣電容進行充電以精確地反映出這段時間內振幅的偏移。

與類比數據轉換器相比較，Sigma-Delta轉換器是一種複雜的晶片，它不是32個電晶體，而是20,000個邏輯閘。然而，隨著數位式CMOS的流行，製造它比製造一個類比元件成本更低、精度更高。這時就無需把動態範圍限制在16bits內，更可擴大至18、20或24bits的動態範圍，120dB的能力幾乎超出了人類聽覺的範圍，給專業的音效配樂和新一代消費產品帶來了全面的希望。

結語

利用DSP在數位CMOS中執行類比功能是主流技術，它在通訊和多媒體領域中會持續和廣泛地被應用；這種技術也被用在非對稱性數位用戶迴路(ADSL)上，即採用離散多音頻(DMT)調變技術將1.5Mb/s的數據流放到普通的電話線上的混合訊號IC；它還被用於家裏的普通電話線上實現10Mb/s的網路傳輸；在HDD方面，藉由增加讀寫磁頭和磁碟間的數據傳輸率(已高達1Giga-bits)使每一片磁碟的儲存容量成倍數增加；此外，它也正踏入嵌入式系統市場中，例如MPC850，台灣半導體業者絕不可不重視它。