混合訊號積體電路將類比與數位元件結合到單一半導體晶片上。傳統類比或數位電路設計分別仰賴各自的優勢，但混合訊號積體電路是同時使用兩者的最佳優勢來實現最佳晶片效能。隨著智慧型手機與可攜式電子裝置的激增，混合訊號 IC 也變得越來越受歡迎。

訊號會以其最基本的形式，來描述透過空氣或光等介質，從一個系統傳輸到另一個系統的資訊。例如，語音是透過空氣傳輸的。

電力輸入與輸出訊號用於各式各樣的工程應用 (電池、感應器、馬達、致動器、轉換器，電路等)，讓資訊的操縱方式能夠近乎無窮無盡。

類比訊號是可承載無限數量的值的連續時變訊號。類比訊號利用電壓、頻率或電流等實體屬性的變化來傳遞資訊。例如，我們的眼睛透過光的變化 (連續波形類比訊號) 接收資訊，以瞭解周遭的世界。

調頻 (FM) 和調幅 (AM) 是類比傳輸的兩種類型。顧名思義，FM 是操縱頻率來傳輸資訊，而 AM 則是操縱振幅來傳輸資訊。

類比訊號非常適合音訊與視訊傳輸，或是傳輸實體「現實世界」資訊，例如溫度、光和聲音。類比訊號通常是透過無線電、水或纜線 (雙絞線、同軸或光纖) 進行傳輸。可擷取類比訊號的裝置包括電話、錄音機、溫度感應器和控制系統。

類比訊號：

• 密度較高 (即承載更多資訊)
• 不需要非常高的頻寬
• 更便宜且更易於處理

積體電路板上的類比元件包括運算放大器、電阻器、電容器和電晶體。

對比之下，數位訊號是離散的，只會占用有限數量的值。事實上，數位訊號是類比訊號的子集，只承載類比訊號中的一部分資訊。數位訊號通常是以二進位格式編碼 (0 和 1)，代表電壓、極化或磁化等量的開啟和關閉狀態。

數位訊號通常用於無線通訊、電腦匯流排、儲存媒體、網路和資料通訊。

數位訊號具有下列特性：

• 可輕鬆加密
• 更易於升級和設定
• 非常適合長距離訊號處理，並可保留訊號完整性

數位電路板上的典型元件包括微控制器單元 (MCU) 和數位訊號處理器 (DSP)。數位電路還具備同步特性，這表示參考時脈會協調其作業。這與在輸入端處理資訊的非同步類比電路形成對比。

許多積體電路 (IC) 都將小型電子元件結合在單一微型晶片上，並支援各種應用。這些積體電路包括數位 IC、類比 IC、混合訊號 IC 和特定應用積體電路 (ASIC)。

然而，在實務應用中，經常將這些 IC 結合以達到想要的成果。例如：ASIC 和微控制器同時納入數位與類比電路系統，成為實際上的混合訊號積體電路。

混合訊號積體電路結合類比與數位電路系統，讓半導體晶片設計的設計與開發具備精密和彈性特性。

混合訊號積體電路的目標是在準確度與效能之間取得最佳平衡，並結合被動元件 (例如電容器) 與主動元件 (例如電源管理中使用的高電壓電晶體)。

類比混合訊號晶片無縫整合單一晶片設計上的類比與數位訊號，確保類比感應器與數位處理器之間的通訊順暢，並鞏固支援 IoT 網路等項目之新一代電子裝置的基礎。這類晶片包括：

• 射頻積體電路：射頻積體電路結合高頻類比設計方法與微波電路設計方法，並將調節器/解調器、放大器、振盪器、濾波器、混合器合併在單一晶片上。射頻積體電路可驅動從行動數據到無線乃至於導航系統的各式各樣無線通訊系統。
• 記憶體晶片：記憶體晶片是混合訊號積體電路，包含數百萬個電容器和暫時儲存資訊 (隨機存取記憶體) 或永久儲存資訊 (唯讀記憶體) 的電晶體。
• 電壓調節器：電壓調節器是包含三個 (或更多) 可在更廣泛積體電路中維持固定電壓位準之針腳的積體電路。交換電壓調節器中的元件包含電晶體開關、二極體、電容器和電感器。
• 電源管理積體電路：PMIC 是高效率的電源供應裝置，可將多個電壓調節器與控制電路整合在單一晶片上。PMIC 可驅動各種應用，包括邊緣運算、物聯網、自動駕駛車輛和電動車。

混合訊號積體電路的一種重要應用，是將實體現實世界 (類比) 訊號轉換為機器可讀取 (數位) 格式。

因此，ADC 經常用於視訊與音訊設備；溫度、壓力、動作感應器；醫療裝置；通訊系統；或需要處理類比輸入的任何其他數位裝置。以下提供一些應記住的 ADC 事實：

• 類比數位轉換有三個步驟：取樣、量化和編碼。
• 取樣率描述連續類比訊號的每秒取樣數。這是影響所產生數位訊號之品質的重要量。取樣率會隨著取樣的介質而改變，例如：電話為 8 KHz (每秒 8,000 個樣本)，網路電話 (VoIP) 則為 16 kHz。
• 在量化期間，系統會將測量到的訊號振幅四捨五入，以便以二進位格式表示。因此，實際類比訊號值與輸出數位訊號值之間可能會有些微的差異，這是所謂的量化錯誤。

數位訊號通常需要轉換為實體格式。DAC 用於此目的，將數位訊號轉換為電視和螢幕的類比光線，或轉換為喇叭的聲音。

以下提供一些應記住的 DAC 事實：

• 解析度、轉換時間和參考值是影響轉換訊號品質的關鍵因素。
• 解析度代表 DAC 的最小輸出增量。
• 轉換時間是輸入與輸出訊號之間的經過時間。
• 參考值指向 DAC 中可達到的最高電壓。低解析度/高頻率 DAC 用於影像、視訊和視覺效果輸出，而高解析度/低頻 DAC 則用於音訊輸出。

將類比與數位元件整合到半導體晶片上的單一單元 ADC 和 DAC 中的主要優勢，是減少功耗、頻寬和訊號失真。

積體電路設計流程描述從設計電路直到已可生產電路的程序 (例如在晶圓廠中)。積體電路設計採用各種工具、軟體 (包括電腦輔助設計)、程序 (包括電子設計自動化) 和裝置，來模擬和最佳化程序並排除錯誤。在積體電路設計中：

• 數位積體電路設計整合電晶體開關與邏輯電路。
• 類比設計整合來自電容器、電晶體、放大器、二極體及其他尚未數位化之項目的類比訊號。
• 射頻積體電路設計 (經常被視為類比設計的子集) 整合超過數十萬赫茲的訊號 (易於產生 RF 現象)。

混合訊號積體電路設計可能會結合上述任一設計。系統單晶片 (SoC) 和系統級封裝 (SiP) 技術等現代化方法，可將各領域的設計整合到單一晶片中。

越來越多這些項目用於可執行通訊、感應、處理和儲存等各種功能的多功能裝置。

由於快速進步之無線通訊技術 (包括 5G、LoRa 和 Wi-Fi)、IoT 和感應技術大量催生越來越複雜的混合訊號 IC，因此混合訊號設計需要多專業領域團隊的合作 (使用電子設計自動化 (EDA) 工具) 才能達成設計目標。

混合訊號設計流程通常包括：

• 領域特定設計，包括數位與類比 (或 RF) 行為模擬
• 混合訊號分析
• 配置，包括類比設計中的實體配置或數位設計中的佈局和繞線
• 組合件與實體驗證
•  混合訊號功能驗證
• 下線

相較於類比或數位電路，混合訊號積體電路的設計更為困難。例如，類比與數位元件可能會在混合訊號電路中共用電源供應器。然而，由於每種元件的功耗量特性都非常不同，因此這對混合訊號設計造成一大挑戰。因此，混合訊號電路設計的目標是將數位與類比電路系統之間的互連減至最少，而這麼做的附加效益是減少重量與大小。

此外，混合訊號半導體晶片通常是在較大的組合件 (例如智慧型手機的無線電子系統) 中運作，並且通常會結合系統單晶片，有時則會結合晶載記憶體區塊。這使得混合訊號晶片的製造進一步複雜化。

混合訊號積體電路的製造中還涉及其他難題：

• 數位電路的設計方法遠比類比電路的設計方法先進許多。雖然可將數位電路系統設計大幅自動化，但對於類比電路來說就遠非如此，因此也帶來了限制。
• 快速改變的數位訊號會在靈敏的類比輸入端產生雜訊，這可能會導致基體耦合。
• 互補式金屬氧化物半導體 (CMOS) 電晶體技術能與數位電路高度整合，而雙極電晶體技術則可順應類比電路系統進行深度調整。在近年的 BiCMOS (雙極 CMOS) 等技術開發出來之前，這一直以來都是混合訊號積體電路設計的問題。
• 測試混合訊號 IC 仍具挑戰性，原因是混合訊號 IC 通常是專為特定使用案例所打造，因此測試混合訊號 IC 會更費時也更昂貴。

電遷移和壓降是混合訊號設計失敗的主要原因。因此，設計師必須瞭解這些額外複雜性。

此外，由於自動化測試對混合訊號 IC 設計造成挑戰，因此工程師仰賴專業電腦輔助設計 (CAD) 軟體 (例如 Totem-SC) 來測試其設計。

Totem-SC 是雲端原生版本的 Totem，這是半導體產業電晶體層級與混合訊號設計的黃金標準多物理量簽核解決方案。通過晶圓廠認證 (即甚至連 3 nm 都包括在內的所有 finFET 製程) 的矽關聯模擬結果，可讓工程師對其設計的最佳化效能有十足把握。

雖然現代半導體技術在功率、效能和區域 (PPA) 方面已達到令人難以理解的高度，然而這也為晶片設計流程帶來大量複雜性，而該流程越來越需要整合數位與類比規格。

因此，混合訊號積體電路可驅動越來越多元化的裝置，涵蓋的領域包括感應器、成像設備、工業控制與電源管理、汽車應用、IoT、醫藥和其他方面。

整合混合訊號積體電路的裝置包括：

• 序列器/解序列器 (SerDes)
• 類比數位轉換器
• 數位類比轉換器
• 電源管理積體電路
• 高頻寬記憶體 (HBM)
• 動態隨機存取記憶體 (DRAM)
• 嵌入式記憶體系統
• 現場可程式化閘道陣列 (FPGA)
• 行動數據通訊中的語音處理器
• 物聯網 (IoT) 網路中的溫度、壓力和其他感應器

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