Un circuito integrato a segnale misto combina componenti analogici e digitali in un singolo chip semiconduttore. Mentre i tradizionali design di circuiti analogici o digitali si basano sui vantaggi di ciascuno in termini individuali, un circuito integrato a segnale misto utilizza il meglio di entrambi per consentire prestazioni ottimali del chip. Con la proliferazione di smartphone e dispositivi elettronici portatili, i circuiti integrati a segnale misto sono diventati sempre più diffusi.

Nella sua forma più basilare, un segnale descrive le informazioni trasmesse da un sistema all'altro attraverso un mezzo come l'aria o la luce. La voce, ad esempio, viene trasmessa per via aerea.

I segnali elettrici in ingresso e in uscita sono utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni ingegneristiche, quali batterie, sensori, motori, attuatori, convertitori, circuiti e molto altro ancora, consentendo una manipolazione quasi infinita delle informazioni.

I segnali analogici sono segnali continui e variabili nel tempo che possono assumere un numero infinito di valori. Trasmettono informazioni utilizzando variazioni di una proprietà fisica, come la tensione, la frequenza o la corrente. I nostri occhi, ad esempio, ricevono informazioni attraverso variazioni di luce (un segnale analogico continuo a forma d'onda) per dare un senso al mondo che ci circonda.

La modulazione di frequenza (FM) e la modulazione di ampiezza (AM) sono i due tipi di trasmissione analogica. Come suggeriscono i loro nomi, FM manipola la frequenza per trasmettere informazioni, mentre AM manipola l'ampiezza.

I segnali analogici funzionano bene per la trasmissione audio e video o per la trasmissione di informazioni fisiche e "reali", come temperatura, luce e suono. I segnali analogici vengono generalmente trasmessi tramite radio, acqua o cavo (doppino intrecciato, coassiale o ottico). I dispositivi che acquisiscono segnali analogici includono telefoni, registratori vocali, sensori di temperatura e sistemi di controllo.

Segnali analogici:

• Hanno una densità più elevata (ovvero trasportano più informazioni)
• Usano in modo meno intensivo la larghezza di banda
• Sono più economici e facili da elaborare

I componenti analogici su una scheda di circuiti integrati includono amplificatori operazionali, resistori, condensatori e transistor.

I segnali digitali, al contrario, sono discreti e occupano solo un numero finito di valori. I segnali digitali sono, infatti, un sottoinsieme di segnali analogici, che trasportano solo una parte delle informazioni all'interno di segnali analogici. In genere sono codificati in formato binario (0 e 1) e rappresentano gli stati di attivazione e disattivazione di quantità come tensione, polarizzazione o magnetizzazione.

I segnali digitali sono comunemente utilizzati nelle comunicazioni wireless, nei computer degli bus, nei supporti di archiviazione, nelle reti e nelle comunicazioni dati.

I segnali digitali sono:

• Facilmente crittografabili
• Più facili da aggiornare e configurare
• Ideali per l'elaborazione del segnale su lunghe distanze, in quanto preservano l'integrità del segnale

I componenti tipici di una scheda di circuiti stampati digitale sono le unità microcontroller (MCU) e gli elaboratori di segnali digitali (DSP). Anche i circuiti digitali sono sincroni, il che significa che un clock di riferimento coordina il loro funzionamento. Nei circuiti analogici asincroni, invece, le informazioni vengono elaborate all'ingresso.

Molti circuiti integrati (IC) combinano piccoli componenti elettronici in un singolo chip miniaturizzato, supportando varie applicazioni. Tra questi vi sono circuiti integrati digitali, circuiti integrati analogici, circuiti integrati a segnale misto e circuiti integrati specifici per applicazioni (ASIC).

Nelle applicazioni pratiche, tuttavia, questi circuiti integrati vengono spesso combinati per ottenere i risultati desiderati. Ad esempio, gli ASIC e i microcontroller incorporano circuiti sia digitali che analogici e sono, in effetti, circuiti integrati a segnale misto.

I circuiti integrati a segnale misto combinano circuiti analogici e digitali per fornire ricercatezza e flessibilità nella progettazione e nello sviluppo di design basati su chip semiconduttori.

Un circuito integrato a segnale misto mira a un equilibrio ottimale tra precisione e prestazioni, combinando elementi passivi (come i condensatori) con elementi attivi (come i transistor ad alta tensione utilizzati nella gestione dell'alimentazione).

I chip analogici a segnale misto integrano perfettamente i segnali analogici con quelli digitali su un unico chip, garantendo una comunicazione fluida tra sensori analogici ed elaboratori digitali alla base della nuova generazione di dispositivi elettronici, utilizzati per le reti IoT e altro ancora. Questi chip includono:

• Circuiti integrati a radiofrequenza: i cosiddetti RFIC combinano strategie di progettazione analogica ad alta frequenza con metodologie di progettazione dei circuiti a microonde, incorporando modulatori/demodulatori, amplificatori, oscillatori, filtri, e mixer su un singolo chip. Alimentano un'ampia gamma di sistemi di comunicazione wireless, dai cellulari ai sistemi di navigazione wireless.
• Chip di memoria: i chip di memoria sono circuiti integrati a segnale misto che incorporano milioni di condensatori e transistor che memorizzano le informazioni temporaneamente (memoria ad accesso casuale) o permanentemente (memoria di sola lettura).
• Regolatori di tensione: i regolatori di tensione sono circuiti integrati che incorporano tre (o più) pin per mantenere un livello di tensione costante in un circuito integrato più ampio. I componenti in un regolatore di tensione di commutazione comprendono un interruttore a transistor, un diodo, un condensatore e un induttore.
• Circuiti integrati di gestione dell'alimentazione: i cosiddetti PMIC sono dispositivi di alimentazione ad alta efficienza che integrano più regolatori di tensione e circuiti di controllo in un unico chip. Sono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni, tra cui l'edge computing, l'Internet of Things, i veicoli autonomi e i veicoli elettrici.

Un'applicazione importante di un circuito integrato a segnale misto è la conversione di segnali fisici reali (analogici) in un formato leggibile da una macchina (digitali).

Pertanto, nelle apparecchiature video e audio, nei sensori di temperatura, pressione e movimento, nei dispositivi medici, nei sistemi di comunicazione o in qualsiasi altro dispositivo digitale che necessita di elaborare ingressi analogici viene comunemente utilizzato un ADC. Ecco alcune informazioni da ricordare sugli ADC:

• La conversione da analogico a digitale prevede tre fasi: campionamento, quantizzazione e codifica.
• La frequenza di campionamento descrive il numero di campioni prelevati al secondo da un segnale analogico continuo. È una misura importante che influenza la qualità del segnale digitale risultante. La frequenza di campionamento differisce in base al mezzo da campionare, ad esempio 8 KHz (8.000 campioni al secondo) per i telefoni e 16 KHz per VoIP (Voice over Internet).
• Durante la quantizzazione, le ampiezze del segnale misurate vengono arrotondate per la rappresentazione in formato binario. Di conseguenza, potrebbero esserci lievi differenze tra i valori effettivi del segnale analogico e i valori del segnale digitale in uscita: questo errore è detto errore di quantizzazione.

I segnali digitali spesso devono essere convertiti in un formato fisico. A tale scopo viene utilizzato un DAC, che converte i segnali digitali in una luce analogica nei televisori e negli schermi o in suoni negli altoparlanti.

Ecco alcune informazioni da ricordare sui DAC:

• Risoluzione, tempo di conversione e valore di riferimento sono fattori chiave che influenzano la qualità del segnale convertito.
• La risoluzione rappresenta il più piccolo incremento in uscita di un DAC.
• Il tempo di conversione è il tempo trascorso tra i segnali di ingresso e di uscita.
• Il valore di riferimento indica la tensione più alta che si può ottenere nel DAC. I DAC a bassa risoluzione/alta frequenza sono utilizzati per l'uscita di immagini e video, mentre i DAC ad alta risoluzione/bassa frequenza vengono utilizzati per l'uscita audio.

Uno dei principali vantaggi dell'integrazione di componenti analogici e digitali in ADC e DAC a unità singola su un chip semiconduttore è la riduzione del consumo energetico, della larghezza di banda e della distorsione del segnale.

Il flusso di design dei circuiti integrati descrive il processo di progettazione dei circuiti fino a quando non sono pronti per la produzione (ad esempio in una fonderia). La progettazione di circuiti integrati utilizza vari strumenti, software (inclusa la progettazione assistita da computer), processi (compresa l'automazione elettronica della progettazione) e dispositivi per simulare e ottimizzare i processi ed eliminare gli errori. Nella progettazione di circuiti integrati:

• Il design digitale dei circuiti integrati integra interruttori a transistor e circuiti logici.
• Il design analogico integra segnali analogici da condensatori, transistor, amplificatori e diodi e altri segnali che non sono stati digitalizzati.
• La progettazione di circuiti integrati a radiofrequenza, spesso considerata un sottoinsieme della progettazione analogici, integra segnali superiori a diverse centinaia di kilohertz dove dominano i fenomeni RF.

Il design integrato a segnale misto può amalgamare le progettazioni sopra indicate. Le tecnologie moderne, come System-on-Chip (SoC) e System-in-Package (SIP), integrano i design di ogni dominio in un singolo chip.

Sono sempre più utilizzate nei dispositivi che eseguono varie funzioni, tra cui comunicazioni, rivelazione, elaborazione e archiviazione.

Le tecnologie di comunicazione wireless in rapida evoluzione (tra cui 5G,LoRa e Wi-Fi), l'IoT e le tecnologie di rivelazione generano circuiti integrati a segnale misto sempre più complessi, pertanto la progettazione a segnale misto richiede la cooperazione di team multidisciplinari, che operino con uno strumento di automazione della progettazione elettronica (EDA), per raggiungere gli obiettivi di progettazione.

Un flusso di progettazione a segnale misto include in genere:

• Progettazione specifica per il dominio, anche con la simulazione comportamentale digitale e analogica (o RF)
• Analisi del segnale misto
• Layout, incluso il layout fisico in un design analogico o il percorso in un design digitale
• Assemblaggio e verifica fisica
•  Verifica funzionale del segnale misto
• Uscita a nastro

I circuiti integrati a segnale misto sono più difficili da progettare rispetto ai circuiti analogici o digitali. Ad esempio, i componenti analogici e digitali possono condividere l'alimentazione in un circuito a segnale misto. Tuttavia, il fatto che ciascuno di essi presenti caratteristiche di consumo energetico molto diverse rappresenta una sfida significativa nella progettazione a segnale misto. Pertanto, la progettazione di circuiti a segnale misto mira a ridurre al minimo le interconnessioni tra circuiti digitali e analogici, con il vantaggio aggiuntivo di peso e dimensioni ridotti.

Inoltre, i chip semiconduttori a segnale misto funzionano in genere all'interno di un gruppo più grande (come un sottosistema radio in uno smartphone), spesso incorporando un SoC e talvolta incorporando blocchi di memoria on-chip. Questo complica ulteriormente la produzione di chip a segnale misto.

La produzione di circuiti integrati a segnale misto comporta altre complicazioni:

• Le metodologie di progettazione sono molto più avanzate per i circuiti digitali che per le controparti analogiche. La progettazione dei circuiti digitali può essere automatizzata in larga misura, ma lo stesso non vale per i circuiti analogici: questa condizione introduce delle limitazioni.
• I segnali digitali a variazione rapida generano rumore sugli ingressi analogici sensibili, giungendo a causare l'accoppiamento del substrato.
• La tecnologia dei transistor CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) si integra perfettamente con i circuiti digitali, mentre la tecnologia dei transistor bipolari è più adatta ai circuiti analogici. Questo ha posto un problema nella progettazione di circuiti integrati a segnale misto fino allo sviluppo di tecnologie come BiCMOS (Bipolar CMOS) negli ultimi anni.
• I test dei circuiti integrati a segnale misto continuano a essere impegnativi in quanto sono spesso realizzati per casi d'uso specifici, pertanto i test risultano più dispendiosi in termini di tempo e denaro.

L'elettromigrazione e la caduta di tensione sono le principali cause di errore nella progettazione a segnale misto. I progettisti devono pertanto comprendere queste complessità aggiuntive.

Inoltre, poiché i test automatizzati rappresentano una sfida nella progettazione di circuiti integrati a segnale misto, gli ingegneri si affidano a software CAD (Computer-Aided Design) specializzati, come Totem-SC, per testare i propri progetti.

Totem-SC è la versione cloud-native di Totem, la soluzione multifisica standard del settore dei semiconduttori per la progettazione a livello di transistor e a segnale misto. La soluzione è certificata per la fonderia, ovvero per tutti i processi FinFET fino a 3 nm. I risultati della simulazione correlati al silicio forniscono agli ingegneri la massima sicurezza per quanto riguarda le prestazioni ottimali dei loro progetti.

La moderna tecnologia dei semiconduttori ha raggiunto livelli vertiginosi in termini di potenza, prestazioni e area (PPA) e ha altresì introdotto una notevole complessità nel processo di progettazione dei chip, in cui l'integrazione di specifiche digitali e analogiche è sempre più richiesta.

Di conseguenza, i circuiti integrati a segnale misto alimentano una gamma sempre più diversificata di dispositivi all'interno di sensori, apparecchiature di imaging, controllo industriale e gestione dell'alimentazione, applicazioni automobilistiche, IoT, medicali e altro ancora.

I dispositivi che integrano circuiti integrati a segnale misto comprendono:

• Serializzatori/deserializzatori (SerDes)
• Convertitori analogico-digitale
• Convertitori digitale-analogico
• Circuiti integrati di gestione dell'alimentazione
• Memoria HBM (High Bandwidth Memory)
• DRAM (Dynamic Random Access Memory)
• Sistemi di memoria integrati
• FPGA (Field Programmable Gate Array)
• Processori vocali nelle comunicazioni cellulari
• Sensori di temperatura, pressione e altro tipo nelle reti Internet of Things (IoT)

Per vedere un progetto di lavoro reale che risolve le sfide elettriche, termiche e meccaniche su una scheda di circuiti integrati, leggete il nostro rapporto gratuito "Flusso di progettazione di riferimento della sollecitazione meccanica elettrotermica per le schede di circuiti stampati e i package elettronici".

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