Un circuit intégré à signaux mixtes combine des composants analogiques et numériques sur une seule puce semi-conductrice. Alors que les conceptions de circuits analogiques ou numériques classiques reposent sur les avantages de chacun d'entre eux, un circuit intégré à signaux mixtes utilise les avantages des deux pour permettre des performances optimales de la puce. Avec la prolifération des smartphones et des appareils électroniques portables, les circuits intégrés à signaux mixtes sont devenus de plus en plus populaires.

Dans sa forme la plus élémentaire, un signal décrit des informations transmises d'un système à un autre par un milieu tel que l'air ou la lumière. La parole, par exemple, est transmise par voie aérienne.

Les signaux électriques d'entrée et de sortie sont utilisés dans une grande variété d'applications d'ingénierie (batteries, capteurs, moteurs, actionneurs, convertisseurs, circuits, et bien plus encore) permettant une manipulation presque infinie de l'information.

Les signaux analogiques sont des signaux continus, variables dans le temps, qui peuvent prendre un nombre infini de valeurs. Ils transmettent des informations en utilisant les variations d'une propriété physique, telles que la tension, la fréquence ou le courant. Nos yeux, par exemple, reçoivent des informations par le biais des variations de lumière (un signal analogique continu en forme d'onde) pour donner un sens au monde qui nous entoure.

La modulation de fréquence (FM) et la modulation d'amplitude (AM) sont les deux types de transmission analogique. Comme leurs noms le suggèrent, la transmission FM manipule la fréquence pour transmettre des informations, tandis que la transmission AM manipule l'amplitude.

Les signaux analogiques fonctionnent bien pour la transmission audio et vidéo ou pour la transmission d'informations physiques et « réelles », telles que la température, la lumière et le son. Les signaux analogiques sont généralement transmis par radio, par eau ou par câble (paire torsadée, coaxiale ou optique). Les appareils qui capturent les signaux analogiques sont les téléphones, les enregistreurs vocaux, les capteurs de température et les systèmes de contrôle.

Les signaux analogiques :

• Ont une densité plus élevée (c.-à-d. qu'ils transportent plus d'informations)
• Consomment moins de bande passante
• Sont moins chers et plus faciles à traiter

Les composants analogiques d'un circuit intégré incluent des amplificateurs opérationnels, des résistances, des condensateurs et des transistors.

Les signaux numériques, en revanche, sont discrets, ne prenant qu'un nombre fini de valeurs. Les signaux numériques sont en fait un sous-ensemble des signaux analogiques, ne transportant qu'une partie de l'information contenue dans les signaux analogiques. Ils sont typiquement codés sous forme binaire (0 et 1), représentant les états Ouvert et Fermé de propriétés physiques telles que la tension, la polarisation ou la magnétisation.

Les signaux numériques sont couramment utilisés dans les communications sans fil, les bus informatiques, les supports de stockage, les réseaux et les communications de données.

Les signaux numériques :

• Sont faciles à crypter
• Sont plus faciles à mettre à niveau et à configurer
• Sont parfaits pour le traitement de signal longue distance, préservant l'intégrité du signal

Les composants standard d'un circuit imprimé numérique incluent les unités de microcontrôleurs (MCU) et les processeurs de signaux numériques (DSP). Les circuits numériques sont également synchrones, ce qui signifie qu'une horloge de référence coordonne leur fonctionnement, contrairement aux circuits analogiques asynchrones, où les informations sont traitées à l'entrée.

De nombreux circuits intégrés (CI) associent de petits composants électroniques sur une seule puce miniature, ce qui permet de prendre en charge diverses applications. Il s'agit notamment des circuits intégrés numériques, analogiques, à signaux mixtes et des circuits intégrés spécifiques à l'application (ASIC).

En pratique, cependant, ces circuits intégrés sont souvent combinés dans les applications pour atteindre les résultats souhaités. Par exemple, les ASIC et les microcontrôleurs incorporent des circuits numériques et analogiques et sont, en fait, des circuits intégrés à signaux mixtes.

Les circuits intégrés à signaux mixtes combinent des circuits analogiques et numériques pour obtenir une conception et un développement pointus et flexibles de puces semi-conductrices.

Un circuit intégré à signaux mixtes vise un équilibre optimal entre précision et performance, combinant des éléments passifs (tels que des condensateurs) avec des éléments actifs (tels que les transistors haute tension utilisés dans la gestion de l'alimentation).

Les puces analogiques à signaux mixtes intègrent de manière transparente les signaux analogiques et numériques sur une seule puce, assurant une communication fluide entre les capteurs analogiques et les processeurs numériques, sous-tendant la prochaine génération d'appareils électroniques, alimentant les réseaux IoT et plus encore. Ces puces comprennent les éléments suivants :

• Circuits intégrés radiofréquence : Les circuits intégrés RF combinent des approches de conception analogique haute fréquence avec des méthodologies de conception de circuits hyperfréquences, intégrant des modulateurs/démodulateurs, des amplificateurs, des oscillateurs, des filtres, et mélangeurs sur une seule puce. Ils alimentent une large gamme de systèmes de communication sans fil, des systèmes cellulaires aux systèmes de navigation sans fil.
• Puces de mémoire : Les puces de mémoire sont des circuits intégrés à signaux mixtes incorporant des millions de condensateurs et de transistors qui stockent des informations temporairement (mémoire vive, RAM) ou de manière permanente (mémoire morte, ROM).
• Régulateurs de tension : Les régulateurs de tension sont des circuits intégrés incorporant trois broches (ou plus) qui maintiennent un niveau de tension constant dans un circuit intégré plus large. Les composants d'un régulateur de tension de commutation comprennent un commutateur à transistor, une diode, un condensateur et une bobine d'inductance.
• Circuits intégrés de gestion de l'alimentation : Les circuits intégrés de gestion de l'alimentation (PMIC) sont des appareils d'alimentation très efficaces qui intègrent plusieurs régulateurs de tension et circuits de commande sur une seule puce. Ils alimentent une gamme d'applications, notamment l'Edge Computing, l'Internet des objets, les véhicules autonomes et les véhicules électriques.

Une application importante d'un circuit intégré à signaux mixtes consiste à convertir des signaux physiques réels (analogiques) en un format lisible par une machine (numérique).

Par conséquent, on utilise couramment un ADC dans les équipements vidéo et audio, les capteurs de température, de pression et de mouvement, les appareils médicaux, les systèmes de communication ou tout autre appareil numérique qui doit traiter des entrées analogiques. Voici quelques informations à retenir sur les ADC :

• La conversion analogique-numérique comporte trois étapes : l'échantillonnage, la quantification et le codage.
• La fréquence d'échantillonnage décrit le nombre d'échantillons prélevés par seconde d'un signal analogique continu. La quantité est importante car elle influence la qualité du signal numérique qui en résulte. La fréquence d'échantillonnage diffère selon le support échantillonné, par exemple 8 kHz (8 000 échantillons par seconde) pour les téléphones et 16 kHz pour la voix sur Internet (VoIP).
• Lors de la quantification, les amplitudes de signal mesurées sont arrondies pour une représentation sous forme binaire. Par conséquent, il peut y avoir de légères différences entre les valeurs réelles du signal analogique et les valeurs du signal numérique de sortie, ce que l'on appelle erreur de quantification.

Les signaux numériques doivent souvent être convertis dans un format physique. Pour y parvenir, on utilise un DAC qui convertit les signaux numériques en lumière analogique dans les téléviseurs et les écrans, ou en sons dans les haut-parleurs.

Voici quelques informations à retenir sur les DAC :

• La résolution, le délai de conversion et la valeur de référence sont des facteurs clés qui influencent la qualité du signal converti.
• La résolution représente le plus petit incrément de sortie d'un DAC.
• Le délai de conversion désigne le temps écoulé entre les signaux d'entrée et de sortie.
• La valeur de référence indique la tension la plus élevée pouvant être atteinte dans le DAC. Un DAC basse résolution/haute fréquence permet de convertir les sorties images, vidéos et visuelles, tandis que la conversion de la sortie audio nécessite un DAC haute résolution/basse fréquence.

L'intégration de composants analogiques et numériques dans des ADC et des DAC unitaires sur une puce semi-conductrice a l'avantage de réduire la consommation d'énergie, la bande passante et la distorsion du signal.

Le flux de conception de circuits intégrés décrit le processus de conception des circuits jusqu'à ce qu'ils soient prêts pour la production (comme dans une fonderie). La conception de circuits intégrés utilise divers outils, logiciels (y compris la conception assistée par ordinateur), processus (y compris l'automatisation du modèle électronique) et appareils pour simuler et optimiser les processus et éliminer les erreurs. Dans la conception de circuits intégrés :

• La conception de circuits intégrés numériques intègre des commutateurs à transistors et des circuits logiques.
• La conception analogique intègre des signaux analogiques provenant de condensateurs, transistors, amplificateurs, diodes et d'autres signaux qui n'ont pas été numérisés.
• La conception de circuits intégrés à radiofréquence, souvent considérée comme un sous-ensemble de la conception analogique, intègre des signaux supérieurs à plusieurs centaines de kilohertz, là où les phénomènes RF dominent.

La conception intégrée à signaux mixtes peut fusionner n'importe laquelle des conceptions ci-dessus. Les approches modernes, telles que les technologies SoC (system-on-chip) et SIP (system-in-package), intègrent les conceptions de chaque domaine dans une seule puce.

Elles sont de plus en plus utilisées dans les appareils multifonctionnels qui remplissent diverses fonctions, notamment les communications, la détection, le traitement et le stockage.

Avec l'évolution rapide des technologies de communication sans fil (5G, LoRa et Wi-Fi, par ex.), de l'IoT et des technologies de détection, nous assistons à l'apparition de circuits intégrés à signaux mixtes de plus en plus complexes. De ce fait, la conception à signaux mixtes nécessite la coopération d'équipes multidisciplinaires, travaillant avec un outil d'automatisation du modèle électronique (EDA), pour atteindre les objectifs de conception.

Un flux de conception à signaux mixtes comprend généralement :

• Conception spécifique au domaine, y compris la simulation comportementale numérique et analogique (ou RF)
• Analyse de signaux mixtes
• Disposition, y compris la disposition physique dans une conception analogique ou le placement-et-routage dans une conception numérique
• Assemblage et vérification physique
•  Vérification fonctionnelle de signaux mixtes
• Tape-out

Les circuits intégrés à signaux mixtes sont plus difficiles à concevoir que les circuits analogiques ou numériques. Par exemple, des composants analogiques et numériques peuvent partager une alimentation dans un circuit à signaux mixtes. Cependant, les caractéristiques de consommation d'énergie de chacun d'entre eux étant très différentes, la conception de signaux mixtes représente un défi important. Par conséquent, la conception de circuits à signaux mixtes vise à minimiser les interconnexions entre les circuits numériques et analogiques, avec l'avantage supplémentaire d'un poids et d'une taille réduits.

De plus, les puces semi-conductrices à signaux mixtes fonctionnent généralement au sein d'un ensemble plus vaste (tel qu'un sous-système radio d'un smartphone), qui intègre souvent un SoC et parfois des blocs de mémoire sur puce. Cela complique encore la fabrication des puces à signaux mixtes.

La fabrication de circuits intégrés à signaux mixtes comporte d'autres complications :

• Les méthodologies de conception sont beaucoup plus avancées pour les circuits numériques que pour leurs homologues analogiques. Bien que la conception de circuits numériques puisse être automatisée dans une large mesure, cela est beaucoup moins vrai pour les circuits analogiques, ce qui introduit des limites.
• Les signaux numériques à changement rapide génèrent du bruit au niveau des entrées analogiques sensibles, ce qui peut entraîner un couplage de substrat.
• La technologie des transistors CMOS (Complementary metal oxide semiconductor) s'intègre bien aux circuits numériques, tandis que la technologie des transistors bipolaires est mieux adaptée aux circuits analogiques. Cela a posé un problème dans la conception de circuits intégrés à signaux mixtes jusqu'au développement de technologies telles que le BiCMOS (Bipolar CMOS) de ces dernières années.
• Le test des circuits intégrés à signaux mixtes reste difficile car ils sont souvent conçus pour des cas d'utilisation spécifiques, ce qui rend leur test plus long et plus coûteux.

L'électromigration et la chute de tension sont les principales causes de défaillance dans la conception de signaux mixtes. Par conséquent, les concepteurs doivent comprendre ces complexités supplémentaires.

De plus, comme l'automatisation des tests représente un défi dans la conception de circuits intégrés à signaux mixtes, les ingénieurs s'appuient sur des logiciels spécialisés de conception assistée par ordinateur (CAO), tels que Totem-SC, pour tester leurs conceptions.

Totem-SC est la version cloud native de Totem, la solution de validation multiphysique de référence du secteur des semi-conducteurs pour les conceptions au niveau du transistor et des signaux mixtes. Les résultats de simulation corrélés au silicium certifiés par la fonderie, c'est-à-dire tous les processus FinFET jusqu'au 3 nm, fournissent aux ingénieurs une confiance totale dans les performances optimales de leurs conceptions.

Si la technologie moderne des semi-conducteurs a atteint des sommets vertigineux en termes de puissance, de performance et de surface (PPA), elle a également introduit une grande complexité dans le processus de conception de puces, où l'intégration de spécifications numériques et analogiques est de plus en plus nécessaire.

Par conséquent, les circuits intégrés à signaux mixtes alimentent une gamme de plus en plus diversifiée d'appareils dans les domaines des capteurs, des équipements d'imagerie, du contrôle industriel et de la gestion de l'alimentation, des applications automobiles, de l'IoT, de la médecine, etc.

Les appareils qui intègrent des circuits intégrés à signaux mixtes sont les suivants :

• Sérialiseurs/désérialiseurs (SerDes)
• Convertisseurs analogique-numérique
• Convertisseurs numérique-analogique
• Circuits intégrés de gestion de l'alimentation
• Mémoire à bande passante élevée (HBM)
• Mémoire vive dynamique (DRAM)
• Systèmes de mémoire intégrés
• Réseaux logiques programmables (FPGA)
• Processeurs vocaux dans des communications cellulaires
• Capteurs de température, de pression et autres capteurs dans les réseaux de l'Internet des objets (IoT)

Pour voir un exemple concret de conception qui résout les problèmes électriques, thermiques et mécaniques sur un circuit imprimé intégré, lisez notre rapport gratuit « Electrothermal Mechanical Stress Reference Design Flow for Printed Circuit Boards and Electronic Packages » (Flux de conception de référence de contrainte électrothermique mécanique pour les circuits imprimés et les boîtiers électroniques).

Ressources connexes