혼합 신호 집적 회로는 아날로그 및 디지털 구성 요소를 단일 반도체 칩에 결합합니다. 기존의 아날로그 또는 디지털 회로 설계는 각각의 장점에 의존하지만 혼합 신호 집적 회로는 최적의 칩 성능을 구현하기 위해 두 가지 장점을 모두 활용합니다. 스마트폰과 휴대용 전자 기기가 확산되면서 혼합 신호 IC의 인기가 점점 높아지고 있습니다.

가장 기본적인 형태에서 신호는 공기 또는 빛과 같은 매체를 통해 한 시스템에서 다른 시스템으로 전송되는 정보를 나타냅니다. 예를 들어 음성은 공기를 통해 전달됩니다.

전기 입력 및 출력 신호는 배터리, 센서, 모터, 액추에이터, 컨버터, 회로 등 다양한 엔지니어링 애플리케이션에서 사용되어 정보를 거의 무한대로 조작할 수 있습니다.

아날로그 신호는 무한한 수의 값을 가질 수 있는 연속적이고 시간에 따라 변하는 신호입니다. 전압, 주파수 또는 전류와 같은 물리적 특성의 변동을 활용하여 정보를 전달합니다. 예를 들어, 우리의 눈은 빛의 변화(연속적인 파형 아날로그 신호)를 통해 정보를 받아 주변 세계를 이해합니다.

아날로그 전송에는 주파수 변조(FM)와 진폭 변조(AM)의 두 가지 유형이 있습니다. 이름에서 알 수 있듯이 FM은 주파수를 조작하여 정보를 전송하고 AM은 진폭을 조작합니다.

아날로그 신호는 오디오 및 비디오 전송 또는 온도, 빛, 소리와 같은 물리적인 "실제" 정보를 전송하는 데 적합합니다. 아날로그 신호는 일반적으로 무선, 물 또는 케이블(꼬임 쌍선, 동축 또는 광)을 통해 전송됩니다. 아날로그 신호를 캡처하는 장치에는 전화, 음성 레코더, 온도 센서 및 제어 시스템이 있습니다.

아날로그 신호:

• 밀도가 높음(예: 더 많은 정보 전달)
• 대역폭 집약도가 낮음
• 더 저렴하고 처리하기 용이함

집적 회로 기판의 아날로그 구성 요소에는 연산 증폭기, 저항기, 커패시터 및 트랜지스터가 있습니다.

이와 대조적으로 디지털 신호는 이산적이며 유한한 수의 값만 차지합니다. 실제로 디지털 신호는 아날로그 신호의 하위 집합으로, 아날로그 신호의 정보 중 일부만 전달합니다. 일반적으로 이진 형식(0과 1)으로 인코딩되어 전압, 분극 또는 자화와 같은 수량의 켜짐 및 꺼짐 상태를 나타냅니다.

디지털 신호는 일반적으로 무선 통신, 컴퓨터 버스, 저장 매체, 네트워킹 및 데이터 통신에 사용됩니다.

디지털 신호는 다음과 같습니다.

• 쉽게 암호화됨
• 간편한 업그레이드 및 구성
• 장거리 신호 처리에 이상적이며 신호 무결성 유지함

디지털 회로 기판의 일반적인 구성 요소에는 마이크로컨트롤러 유닛(MCU)과 디지털 신호 프로세서(DSP)가 있습니다. 디지털 회로도 동기식이므로 기준 클럭이 작동을 조정합니다. 이는 입력부에서 정보가 처리되는 비동기 아날로그 회로와 대조됩니다.

많은 집적 회로(IC)는 작은 전자 부품을 하나의 소형 칩에 결합하여 다양한 응용 분야를 지원합니다. 여기에는 디지털 IC, 아날로그 IC, 혼합 신호 IC 및 ASIC(Application Specific Integrated Circuits)가 포함됩니다.

그러나 실제 응용 분야에서는 이러한 IC를 결합하여 원하는 결과를 얻는 경우가 많습니다. 예를 들어, ASIC 및 마이크로컨트롤러는 디지털 및 아날로그 회로를 모두 통합하며 사실상 혼합 신호 집적 회로입니다.

혼합 신호 집적 회로는 아날로그 회로와 디지털 회로를 결합하여 반도체 칩 설계의 설계 및 개발에서 정교함과 유연성을 제공합니다.

혼합 신호 집적 회로는 수동 소자(예: 커패시터)와 능동 소자(예: 전력 관리에 사용되는 고전압 트랜지스터)를 결합하여 정확도와 성능 간의 최적의 균형을 목표로 합니다.

아날로그 혼합 신호 칩은 단일 칩 설계에서 아날로그와 디지털 신호를 원활하게 통합하여 아날로그 센서와 디지털 프로세서 간의 원활한 통신을 보장하고 IoT 네트워크 등을 지원하는 차세대 전자 장치를 뒷받침합니다. 이러한 칩에는 다음이 포함됩니다.

• 무선 주파수 집적 회로: RFIC는 고주파 아날로그 설계 접근 방식과 마이크로파 회로 설계 방법론을 결합하고 변조기/복조기, 증폭기, 발진기, 필터 및 믹서를 단일 칩에 통합합니다. 이는 셀룰러에서 무선, 내비게이션 시스템에 이르기까지 광범위한 무선 통신 시스템을 지원합니다.
• 메모리 칩: 메모리 칩은 정보를 일시적으로(랜덤 액세스 메모리) 또는 영구적으로(읽기 전용 메모리) 저장하는 수백만 개의 커패시터와 트랜지스터를 통합한 혼합 신호 집적 회로입니다.
• 전압 조정기: 전압 조정기는 더 넓은 집적 회로에서 일정한 전압 수준을 유지하는 3개 이상의 핀을 포함하는 집적 회로입니다. 스위칭 전압 조정기의 구성 요소에는 트랜지스터 스위치, 다이오드, 콘덴서 및 인덕터가 있습니다.
• 전원 관리 집적 회로: PMIC는 여러 전압 조정기와 제어 회로를 단일 칩에 통합하는 고효율 전원 공급 장치입니다. 이는 엣지 컴퓨팅, 사물 인터넷, 자율주행 차량, 전기자동차 등 다양한 분야를 지원합니다.

혼합 신호 집적 회로의 중요한 응용 분야는 물리적, 실제(아날로그) 신호를 기계가 읽을 수 있는(디지털) 형식으로 변환하는 것입니다.

따라서 ADC는 비디오 및 오디오 장비, 온도, 압력, 모션 센서, 의료 기기, 통신 시스템 또는 아날로그 입력을 처리해야 하는 기타 디지털 장치에 일반적으로 사용됩니다. ADC에 관해 기억해야 할 몇 가지 사실은 다음과 같습니다.

• 아날로그에서 디지털로의 변환에는 샘플링, 양자화, 인코딩의 세 단계가 있습니다.
• 샘플링 속도는 연속 아날로그 신호에서 초당 수집된 샘플 수를 나타냅니다. 이는 결과 디지털 신호의 품질에 영향을 미치는 중요한 양입니다. 샘플링 속도는 샘플링되는 매체에 따라 다릅니다. 예를 들어 전화의 경우 8KHz(초당 8,000개 샘플), VoIP(Voice over Internet)의 경우 16kHz입니다.
• 양자화 중에 측정된 신호 진폭은 이진 형식으로 표시하기 위해 반올림됩니다. 결과적으로 실제 아날로그 신호 값과 출력 디지털 신호 값 사이에 약간의 차이가 있을 수 있으며, 이를 양자화 오류라고 합니다.

디지털 신호는 종종 물리적 형식으로 변환되어야 합니다. 이를 위해 DAC가 사용되는데, 디지털 신호를 아날로그로 (TV와 화면의 빛, 스피커의 소리) 변환합니다.

DAC에 관해 기억해야 할 몇 가지 사실은 다음과 같습니다.

• 해상도, 변환 시간 및 기준 값은 변환된 신호의 품질에 영향을 미치는 주요 요소입니다.
• 해상도는 DAC의 가장 작은 출력 증분을 나타냅니다.
• 변환 시간은 입력 신호와 출력 신호 사이의 경과 시간입니다.
• 기준값은 DAC에서 얻을 수 있는 최고 전압을 나타냅니다. 이미지, 비디오, 영상 출력에는 저해상도/고주파 DAC가 사용되고 오디오 출력에는 고해상도/저주파 DAC가 사용됩니다.

아날로그 및 디지털 구성 요소를 반도체 칩의 단일 장치 ADC 및 DAC에 통합할 때 얻을 수 있는 주요 이점은 전력 소비, 대역폭 및 신호 왜곡이 줄어든다는 것입니다.

집적 회로 설계 흐름은 파운드리 등에서 생산 준비가 될 때까지 회로를 설계하는 프로세스를 설명합니다. 집적 회로 설계에서는 다양한 도구, 소프트웨어(컴퓨터 지원 설계 포함), 프로세스(전자 설계 자동화 포함), 장치를 사용하여 프로세스를 시뮬레이션하고 최적화하고 오류를 제거합니다. 집적 회로 설계 시:

• 디지털 집적 회로 설계는 트랜지스터 스위치와 논리 회로를 통합합니다.
• 아날로그 설계는 커패시터, 트랜지스터, 증폭기, 다이오드 및 기타 디지털화되지 않은 아날로그 신호를 통합합니다.
• 종종 아날로그 설계의 하위 집합으로 간주되는 무선 주파수 집적 회로 설계는 RF 현상이 지배적인 수백 kHz 이상의 신호를 통합합니다.

혼합 신호 통합 설계는 위의 설계 중 하나를 혼합할 수 있습니다. System-on-Chip(SoC) 및 시스템 인 패키지(SiP) 기술과 같은 최신 접근 방식은 각 도메인의 설계를 단일 칩에 통합합니다.

이는 통신, 감지, 처리, 저장 등 다양한 기능을 수행하는 다기능 장치에 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

빠르게 발전하는 무선 통신 기술(5G, LoRa 및 Wi-Fi 포함), IoT 및 감지 기술이 점점 더 복잡한 혼합 신호 IC를 생성함에 따라 혼합 신호 설계는 설계 목표를 달성하기 위해 전자 설계 자동화(EDA) 도구를 사용한 여러 분야 팀의 협력이 필요합니다.

혼합 신호 설계 흐름에는 일반적으로 다음이 포함됩니다.

• 디지털 및 아날로그(또는 RF) 동작 시뮬레이션을 포함한 영역별 설계
• 혼합 신호 분석
• 아날로그 설계의 물리적 레이아웃 또는 디지털 설계의 배치 및 배선을 포함한 레이아웃
• 조립 및 물리적 검증
•  혼합 신호 기능 검증
• 테이프아웃

혼합 신호 집적 회로는 아날로그 또는 디지털 회로보다 설계하기가 더 어렵습니다. 예를 들어, 아날로그 및 디지털 구성 요소는 혼합 신호 회로에서 전원 공급 장치를 공유할 수 있습니다. 그러나 각 제품마다 전력 소비 특성이 매우 다르기 때문에 혼합 신호 설계에서 상당한 어려움이 있습니다. 따라서 혼합 신호 회로 설계는 무게와 크기를 줄이면서 디지털 회로와 아날로그 회로 사이의 상호 연결을 최소화하는 것을 목표로 합니다.

또한 혼합 신호 반도체 칩은 일반적으로 더 큰 어셈블리(예: 스마트폰의 무선 하위 시스템) 내에서 작동하며 종종 SoC를 통합하고 때로는 온칩 메모리 블록을 통합합니다. 이는 혼합 신호 칩의 제조를 더욱 복잡하게 만듭니다.

혼합 신호 집적 회로 제조에는 다음과 같은 또 다른 복잡한 문제도 있습니다.

• 디지털 회로에 대한 설계 방법론은 아날로그 회로에 비해 훨씬 발전되어 있습니다. 디지털 회로 설계는 광범위하게 자동화될 수 있지만 아날로그 회로의 경우에는 훨씬 덜 자동화되어 한계가 발생합니다.
• 빠르게 변화하는 디지털 신호는 민감한 아날로그 입력에서 노이즈를 생성하여 기판 커플링이 발생할 수 있습니다.
• CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 트랜지스터 기술은 디지털 회로와 잘 통합되는 반면, 양극 트랜지스터 기술은 아날로그 회로에 더 잘 적용됩니다. 이는 최근 BiCMOS(양극성 CMOS)와 같은 기술이 개발될 때까지 혼합 신호 집적 회로 설계에 문제를 제기했습니다.
• 혼합 신호 통합 IC 테스트는 특정 사용 사례에 맞게 제작되는 경우가 많기 때문에 여전히 어려운 일이며, 이로 인해 테스트 시간과 비용이 더 많이 듭니다.

일렉트로마이그레이션 및 전압 강하는 혼합 신호 설계에서 실패의 주요 원인입니다. 따라서 설계자는 이러한 추가 복잡성을 이해해야 합니다.

또한 자동화된 테스트는 혼합 신호 IC 설계에 어려움을 주기 때문에 엔지니어는 Totem-SC와 같은 전문 컴퓨터 지원 설계(CAD) 소프트웨어를 사용하여 설계를 테스트합니다.

Totem-SC는 Totem의 클라우드 네이티브 버전으로, 트랜지스터 레벨 및 혼합 신호 설계를 위한 반도체 업계의 표준 다중 물리학 인증 솔루션입니다. 파운드리 인증(3nm까지의 모든 finFET 프로세스)은 실리콘 관련 시뮬레이션 결과를 통해 엔지니어에게 설계의 최적 성능에 대한 완전한 신뢰를 줄 수 있습니다.

현대의 반도체 기술은 전력, 성능 및 면적(PPA) 측면에서 눈부신 발전을 이루었지만, 이에 따라 디지털 및 아날로그 사양의 통합이 점점 더 요구되는 칩 설계 프로세스도 상당히 복잡해졌습니다.

결과적으로 혼합 신호 집적 회로는 센서, 이미징 장비, 산업 제어 및 전력 관리, 자동차 애플리케이션, IoT, 의학 등의 점점 더 다양한 장치를 지원합니다.

혼합 신호 집적 회로를 통합하는 장치에는 다음이 포함됩니다.

• 직렬 변환기/역직렬 변환기(SerDes)
• 아날로그-디지털 변환기
• 디지털-아날로그 변환기
• 전원 관리 집적 회로
• HBM(High Bandwidth Memory, 고대역폭 메모리)
• DRAM(Dynamic Random Access Memory, 다이내믹 램)
• 임베디드 메모리 시스템
• FPGA(Field Programmable Gate Arrays, 필드 프로그래머블 게이트 어레이)
• 셀룰러 통신의 음성 프로세서
• 사물 인터넷(IoT) 네트워크의 온도, 압력 및 기타 센서

집적 회로 기판의 전기, 열 및 기계적 문제를 해결하는 실제 작업 설계를 보려면 무료 보고서 "인쇄 회로 기판 및 전자 패키지에 대한 전기열 기계적 응력 참조 설계 흐름(Electrothermal Mechanical Stress Reference Design Flow for Printed Circuit Boards and Electronic Packages)"을 참조하십시오.

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