混合信号集成电路，是将模拟组件和数字组件整合到单个半导体芯片上的集成电路。传统的模拟或数字电路设计只能单独发挥各自的优势，但混合信号集成电路能够取两家之长，以实现最佳芯片性能。随着智能手机和便携式电子设备的普及，混合信号IC变得越来越受欢迎。

基本上，信号是指通过空气或光等介质从一个系统传输到另一个系统的信息。例如，语音是通过空气传输的信号。

电气输入和输出信号广泛应用于各种工程应用——电池、传感器、电机、致动器、转换器、电路等——几乎能够实现无限的信息操作。

模拟信号是随时间连续变化、其参量取值为无穷大的信号。它们通过利用物理属性（如电压、频率或电流）的变化来传递信息。例如，我们的眼睛通过光线变化（连续的波形模拟信号）接收信息，以了解周围的世界。

频率调制（FM）和振幅调制（AM）是两种模拟传输类型。顾名思义，FM控制频率以传输信息，而AM控制振幅以传输信息。

模拟信号适用于音频和视频传输或“真实”的物理信息传输（例如温度、光和声音）。模拟信号通常通过无线电、水或电缆（双绞线、同轴或光纤）传输。捕获模拟信号的设备包括电话、录音机、温度传感器和控制系统。

模拟信号：

• 密度更高（即携带更多信息）
• 带宽占用较少
• 更低成本、更易于处理

集成电路板上的模拟组件包括运算放大器、电阻器、电容器和晶体管。

相比之下，数字信号是参量只能离散取值的信号。事实上，数字信号是模拟信号的子集，仅携带模拟信号中的一部分信息。它们通常以二进制格式（0和1）进行编码，表示电压、偏振或磁化等物理量的开/关状态。

数字信号通常用于无线通信、计算机总线、存储介质、网络和数据通信。

数字信号：

• 轻松加密
• 更易于升级和配置
• 非常适合远距离信号处理，保持信号完整性

数字电路板上的典型组件包括微控制器单元（MCU）和数字信号处理器（DSP）。此外，数字电路还是同步的，这意味着参考时钟需要对其操作进行协调。这有别于在输入处对信息进行处理的异步模拟电路。

许多集成电路（IC）将小型电子组件整合到单个微型芯片上，以便为各种应用提供支持。这些集成电路包括数字IC、模拟IC、混合信号IC和专用集成电路（ASIC）。

然而，在实际应用中，这些IC经常会被组合在一起，以实现预期的结果。例如，ASIC和微控制器同时包含数字和模拟电路，实际上属于混合信号集成电路。

混合信号集成电路将模拟和数字电路相结合，为半导体芯片设计和开发提供了先进功能和灵活性。

此外，为了实现准确性和性能之间的最佳平衡，混合信号集成电路将无源元件（如电容器）与有源元件（如用于电源管理的高电压晶体管）进行了充分结合。

模拟混合信号芯片在单芯片设计上无缝集成模拟和数字信号，确保模拟传感器和数字处理器之间的流畅通信，从而为新一代电子设备奠定坚实基础——为物联网网络等提供助力。这些芯片包括：

• 射频集成电路：RFIC将高频模拟设计方法与微波电路设计方法相结合，在单个芯片上集成了调制器/解调器、放大器、振荡器、滤波器和混合器，其能够为从蜂窝到无线再到导航系统的各种无线通信系统提供助力。
• 存储器芯片：存储器芯片是混合信号集成电路，包含数百万个能够临时（随机存取存储器）或永久（只读存储器）存储信息的电容器和晶体管。
• 稳压器：稳压器是包含三个（及以上）引脚的集成电路，可在更广泛的集成电路中保持恒定的电压水平。开关稳压器中的组件包括晶体管开关、二极管、电容器和电感器。
• 电源管理集成电路（PMIC）：PMIC是将多个稳压器和控制电路集成到单个芯片上的高效率电源设备，其能够支持一系列应用，包括边缘计算、物联网、自动驾驶汽车和电动汽车。

混合信号集成电路的一项重要应用是将真实的（模拟）物理信号转换为机器可读的（数字）格式。

因此，ADC通常用于视频和音频设备，温度、压力和运动传感器，医疗设备，通信系统或需要处理模拟输入的任何其他数字设备。关于ADC，需要了解以下几点：

• 模数转换包含三个步骤：采样、量化和编码。
• 采样率描述了每秒对连续模拟信号采样的次数。它是影响生成的数字信号质量的重要参量。采样率因采样介质而异，例如，电话的采样率为8kHz（每秒8,000次采样），而互联网语音（VoIP）的采样率为16kHz。
• 在量化过程中，测量得到的信号振幅被四舍五入，以二进制格式表示。因此，实际模拟信号值与输出数字信号值之间可能存在微小差异，这被称为量化误差。

数字信号通常需要被转换成物理格式。DAC可用于实现此目的，其能够将数字信号转换为电视和屏幕中的模拟光，或扬声器中的声音。

关于DAC，需要注意以下几点：

• 影响转换信号质量的关键因素包括分辨率、转换时间和参考值。
• 分辨率表示DAC的最小输出增量。
• 转换时间是从输入信号到输出信号之间的间隔时间。
• 参考值是指DAC中可达到的最高电压。低分辨率/高频DAC可用于图像、视频和视觉输出，而高分辨率/低频DAC可用于音频输出。

将模拟和数字组件集成到半导体芯片上的单个单元ADC和DAC中的一个主要优势，是降低功耗，减少带宽和信号失真。

集成电路设计流程描述了电路设计到准备投产（例如在代工厂）的整个流程。集成电路设计采用各种工具、软件（包括计算机辅助设计）、流程（包括电子设计自动化）和设备来对流程进行仿真和优化，并消除错误。在集成电路设计中：

• 数字集成电路设计集成了晶体管开关和逻辑电路。
• 模拟设计集成了来自电容器、晶体管、放大器、二极管和其他尚未实现数字化的器件的模拟信号。
• 射频集成电路设计（通常被视为模拟设计的一个子集）集成了大于几百千赫兹的信号（其中以射频为主）。

混合信号集成设计可将上述任何设计进行整合。片上系统（SoC）和系统级封装（SiP）技术等现代方法将不同领域的设计集成到单个芯片中。

它们越来越多地用于执行各种功能（包括通信、传感、处理和存储）的多功能器件。

随着无线通信技术（包括5G、LoRa和Wi-Fi）、物联网和传感技术的快速发展，混合信号IC变得日益复杂，其设计需要多学科团队的合作、配合使用电子设计自动化（EDA）工具，才能实现设计目标。

混合信号设计流程通常包括：

• 特定领域的设计，包括数字和模拟（或射频）行为仿真
• 混合信号分析
• 布局，包括模拟设计中的物理布局或数字设计中的布局和布线
• 装配和物理验证
•  混合信号功能验证
• 流片

混合信号集成电路设计比模拟或数字电路更具有挑战性。例如，模拟和数字组件可在混合信号电路中共享电源。但是，由于每个组件的功耗特性大相径庭，这为混合信号设计带来了重大挑战。因此，混合信号电路设计旨在最大限度地减少数字电路和模拟电路之间的互连，这样做的额外好处是能够减轻重量和尺寸。

此外，混合信号半导体芯片通常在更大的装配体（例如智能手机中的无线电子系统）中运行，通常包含SoC，有时还包含片上存储器块。这进一步加剧了混合信号芯片制造的复杂性。

混合信号集成电路制造还涉及其他复杂问题：

• 数字电路的设计方法要比模拟电路的设计方法先进得多。虽然数字电路设计可以在很大程度上实现自动化，但模拟电路的情况远非如此，因而带来局限性。
• 快速变化的数字信号在敏感的模拟输入处产生噪声，这可能导致基板耦合。
• 互补金属氧化物半导体（CMOS）晶体管技术能够与数字电路完美集成，而双极晶体管技术更适合模拟电路。这一直是混合信号集成电路设计中的一大问题，直到近年来BiCMOS（双极CMOS）等技术有了发展，情况才有所改善。
• 混合信号集成IC的测试仍然具有挑战性，因为它们通常是针对特定用例构建而成，这使得测试工作变得更加耗时和成本高昂。

电迁移和压降是混合信号设计失败的主要原因。因此，设计人员必须了解这些额外的复杂性。

此外，由于自动化测试对于混合信号IC设计比较困难，工程师需要依靠专门的计算机辅助设计（CAD）软件（如Totem-SC）来测试设计。

Totem-SC是Totem的云原生版本，堪称半导体行业的黄金标准多物理场签核解决方案，适用于晶体管级和混合信号设计。其经过代工厂认证（所有FinFET工艺均低至3nm）的芯片相关仿真结果，使工程师对其设计实现最佳性能充满信心。

现代半导体技术在功耗、性能与面积（PPA）方面达到了令人惊叹的高度，但这也给芯片设计流程带来了极大的复杂性，其中，数字和模拟规范的集成需求也随之日益增加。

于是，混合信号集成电路在为传感器、成像设备、工业控制和电源管理、汽车应用、物联网、医学等领域日益多样化的器件提供支持。

采用混合信号集成电路的器件包括：

• 串行器/解串器（SerDes）
• 模数转换器
• 数模转换器
• 电源管理集成电路
• 高带宽存储器（HBM）
• 动态随机存取存储器（DRAM）
• 嵌入式存储器系统
• 现场可编程门阵列（FPGA）
• 蜂窝通信中的语音处理器
• 物联网（IoT）网络中的温度、压力和其他传感器

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