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混合訊號挑戰艱鉅 MSO讓測試得心應手
從類比到數位

【作者: 王岫晨】   2022年07月24日 星期日

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類比IC可以將聲音、動作與影像等實際的物理資訊轉成數位格式,這種方法對於消費性電子產品、自動駕駛汽車、物聯網以及一些其他新興市場的關鍵應用而言日益重要。


混合訊號應用廣泛

混合信號IC是在一個晶片上同時包含類比和數位電路的整合電路。類比信號是一種連續的時變信號,而數位信號則是一種非連續的信號,它只取有限數量的值。混合信號IC使用這兩種類型的信號,通常可用於各種應用或者ASIC上。


我們進一步來看類比信號,類比電路設計的組成部分是運算放大器,它是一種高增益的放大器。運算放大器可以接收一個連續信號,並輸出另一個更高值的連續信號。運算放大器也可以用來做為比較器,這是一種用於比較兩個輸入電壓,並輸出一個二進位信號來分辨兩者的電路設計。由於比較器的輸出是數位形式的,因此這是混合信號電路的一個示例。


接著來看看數位信號。由於類比信號是連續的,而數字信號是離散的,這意味著它們具有有限數量的數值。我們可以將其想像為方波,其中信號在兩個數值之間逐步交替,在理想情況下這是瞬時交替的。或者也可以將之想像為二進位信號,它可以有兩個可能的結果,例如0或1,或者關與開,這種應用通常是類似邏輯開關,例如是與非,或者觸發器中。


混合信號IC的兩個最明顯使用情境,就是類比數位轉換器(ADC)與數位類比轉換器(DAC)。由於這些應用中,需要頻繁將類比信號轉換為數位信號,或者將數位信號轉換為類比信號,因此它們必須包含兩者的電路特徵。


在今天,混合型的電路通常由來自不同領域的元素所組成。還有各種SoC和系統級封裝(SiP)技術,它們往往包括單一IC上的不同每個IC設計領域,也包含各種半導體製程技術與封裝能力。



圖一 : 混合訊號示波器可以提供測量類比和數位混合訊號的能力,有些還包括可在頻域中進行射頻測量的內建頻譜分析儀。(source:tektronix.com)
圖一 : 混合訊號示波器可以提供測量類比和數位混合訊號的能力,有些還包括可在頻域中進行射頻測量的內建頻譜分析儀。(source:tektronix.com)

在現今的應用中,越來越多高複雜度的無線通信和感測晶片,例如汽車雷達,在單一設備上就必須執行包括感測、運算、轉換、數位操作、儲存、決策和通信等功能。這些混合信號設計通常涉及多個不同團隊,他們必須使用某種統一的EDA工具,以確保設計的每個層面都能遵循流程的規範。由於這些設計上的優化相對較不容易,主要是因為這些SoC製程技術通常難以滿足類比與射頻的性能標準,因此這一點變得越來越重要。


混合訊號設計挑戰

IC設計人員在進行調試混合類比和數位串列匯流排設計的時候,通常會遇到不同類型的測量問題。舉例來說,設計師可能需要調試串列匯流排協定的行為,也可能需要透過某種現成的串列協定,來實現子系統或元件間的通信與協調工作,才能完成整體設計。就前者來說,設計人員通常會使用示波器來調試協議的實體層,並測量上升與下降時間、建立並保持時間參數,以及分析系統中時脈和資料線上的信號電平。就後者來說,設計人員可能會查找系統中功能和整合上的問題,有時候還需要分析相關時序和匯流排上的數據內容。


一般來說,使用傳統方法來調試串列匯流排設計,是一個巨大的挑戰。調試這些系統的一般方法,是使用邏輯分析儀與示波器。不過,由於資料是逐一讀出位元資訊,因此並非所有的數據資料都可以參考,這導致在所關注的串列匯流排上進行觸發將會很困難。在過去,透過邏輯分析儀調試平行匯流排時,可以透過設置碼型觸發或狀態觸發,來直接找到所關注的細節。然而,要根據長串列資料流程中的內容,來設置邏輯分析儀的觸發則是另一個困難之處。因為要在串行協定中的碼型上觸發邏輯分析儀,就必須創建一個狀態機,才能在協定中尋找需要關注的碼流和幀信號。只不過大多數邏輯分析儀的狀態僅有16級,因此難以滿足查找長資料流程的要求。


要解決這樣的問題,必須使用繁瑣的測量裝置來解決,但這可能會帶給使用者非常大的困擾。而且如果設計人員還需要在系統上進行參數測量的話,那麼將邏輯分析儀與示波器相互關聯將會耗去更多時間。而且要這麼做,兩種儀器上都必需要有非常深的記憶體容量,才能觀察長串列資料的流程。由於每種IC設計都必須有嚴格的進度計劃與項目完成日期,因此一般設計人員都認為在調試串列匯流排的相關設計時,需要有更好的技術和測量儀器,才能進行這種棘手的混合訊號測試。


MSO的重要性


圖二 : MSO可精確顯示類比與數位訊號並進行比較。(source:tektronix.com)
圖二 : MSO可精確顯示類比與數位訊號並進行比較。(source:tektronix.com)

混合訊號示波器(MSO)是一種數位儲存示波器,它的主要作用在於顯示並比較類比訊號和數位訊號,特色是在於具備用於類比訊號和數位訊號的輸入通道。類比訊號可以顯示隨著時間變化的電壓等級。傳統上,都是透過示波器來測量這些電壓對時間的波形。訊號可以直接連接到示波器的類比輸入通道,也可以透過示波器的探棒連接。


而相對的,數位通道則是用於測量邏輯值(例如0或1)。訊號代表0或1,是根據使用者所設定的臨界值來加以決定。傳統上,是使用邏輯分析儀來測量數位邏輯訊號,但有許多工作則是採用混合訊號示波器將會更為方便。混合訊號示波器可以提供邏輯分析儀的許多基本功能,例如數位時序分析等。


在混合訊號示波器上,來自類比輸入通道的連續可變類比波形,以及來自數位輸入通道的數位或邏輯波形,都能精確地顯示在通用的時間刻度上,方便設計人員進行兩者的比較。


也因此,混合訊號示波器可以提供測量類比和數位混合訊號的能力,有些還包括可在頻域中進行射頻(RF)測量的內建頻譜分析儀。在使用到數位電路跟類比電路的使用案例中,混合訊號IC經常被設計用於特定用途,但也可能是多用途的標準元件。而且混合訊號IC的設計,通常需要非常高度的專業,並細心的使用EDA工具。晶片完成品的自動化測試,也比一般IC還更具有挑戰性。


結語

隨著新的物聯網應用、無線通信標準例如Wi-Fi、5G、LoRa等,和複雜感測技術,都導致混合信號IC越來越複雜,除了EDA工具和晶圓代工製程也在不斷進步,而測試技術也必須更為精進,才能滿足這些新的應用需求。


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