ミックスドシグナル集積回路
ミックスドシグナル集積回路：右側の金属部分はコンデンサで、その上に大きな出力トランジスタがあります。左側はデジタルロジックで占められています。

ミックスドシグナル集積回路とは、単一の半導体ダイ上にアナログ回路とデジタル回路の両方を備えた集積回路である。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]携帯電話、電気通信、ポータブル電子機器、電子機器やデジタルセンサーを搭載した自動車の使用増加に伴い、その使用は劇的に増加している。

概要

集積回路（IC）は、一般的にデジタル回路（例：マイクロプロセッサ）とアナログ回路（例：オペアンプ）に分類されます。ミックスドシグナルICは、デジタル回路とアナログ回路の両方を同一チップ上に搭載し、場合によってはソフトウェアも組み込まれています。ミックスドシグナルICは、アナログ信号とデジタル信号の両方を同時に処理します。例えば、アナログ-デジタルコンバータ（ADC）は、典型的なミックスドシグナル回路です。

ミックスドシグナルICは、アナログ信号をデジタル信号に変換し、デジタル機器で処理できるようにするためによく使用されます。例えば、デジタルアンプを搭載したメディアプレーヤーなどのデジタル製品に搭載されているFMチューナーには、ミックスドシグナルICが不可欠なコンポーネントです。あらゆるアナログ信号は、非常に基本的なADCを使用してデジタル化できます。その中で最も小型でエネルギー効率の高いものがミックスドシグナルICです。

ミックスドシグナルICは、アナログのみ、あるいはデジタルのみの集積回路よりも設計・製造が困難です。例えば、高効率なミックスドシグナルICでは、デジタル部品とアナログ部品に共通の電源が使用される場合があります。しかし、アナログ部品とデジタル部品の電力需要と消費特性は大きく異なるため、これはチップ設計において容易な目標ではありません。

ミックスドシグナル機能は、従来の能動素子（トランジスタなど）と高性能受動素子（コイル、コンデンサ、抵抗など）の両方を同一チップ上に搭載します。これには、モデリングに関する高度な知識と製造技術からのオプションが必要です。デジタル機能を備えたチップ（低消費電力CMOSプロセッサシステムなど）の電源管理機能には、高電圧トランジスタが必要になる場合があります。高度なミックスドシグナル技術によっては、アナログセンサー素子（圧力センサーやイメージングダイオードなど）をADCと同じチップ上に搭載できる場合もあります。

通常、ミックスドシグナルICは必ずしも最高速のデジタル性能を必要としません。むしろ、テスト可能性計画や信頼性評価など、より正確なシミュレーションと検証を行うために、能動素子と受動素子のより成熟したモデルが必要です。そのため、ミックスドシグナル回路は、最高速度・最高密度のデジタルロジックよりも広い線幅で実現されることが多く、実装技術は最新のデジタル専用実装技術よりも2～4世代遅れている場合があります。さらに、ミックスドシグナル処理では、抵抗器、コンデンサ、コイルなどの受動素子が必要になる場合があり、特殊な金属層、誘電体層、または標準的な製造プロセスの同様の改変が必要になる場合があります。これらの特殊な要件のため、ミックスドシグナルICとデジタルICは、異なる製造業者（ファウンドリと呼ばれる）によって製造される場合があります。

アプリケーション

ミックスドシグナル集積回路の用途は多岐にわたります。例えば、携帯電話、最新の無線通信システム、オンチップの標準化されたデジタルインターフェース（I2C、UART 、SPI、CANなど）を備えたセンサーシステム、音声関連信号処理、航空宇宙および宇宙電子機器、モノのインターネット（IoT）、無人航空機（UAV）、自動車およびその他の電気自動車などです。ミックスドシグナル回路またはシステムは、現代の民生用電子機器の構築や、産業、医療、計測、宇宙用途 などにおいて、一般的に費用対効果の高いソリューションです。

ミックスドシグナル集積回路の例としては、デルタシグマ変調を用いたデータコンバータ、誤り検出・訂正を用いたアナログ-デジタルコンバータおよびデジタル-アナログコンバータ、デジタル無線チップなどが挙げられます。デジタル制御サウンドチップもミックスドシグナル回路です。携帯電話およびネットワーク技術の登場により、このカテゴリには携帯電話、ソフトウェア無線、LANおよびWANルーター用集積回路が含まれるようになりました。

設計と開発

通常、ミックスドシグナル チップは、携帯電話の無線サブシステムやDVDプレーヤーの読み取りデータ パスおよびレーザーSLED制御ロジックなど、大規模なアセンブリ内の一部の機能全体またはサブ機能を実行します。ミックスドシグナル IC には、多くの場合、システム オン チップ全体が含まれます。また、オンチップ メモリ ブロック ( OTPなど) が含まれる場合もあり、アナログ IC に比べて製造が複雑になります。ミックスドシグナル IC は、システム内のデジタル機能とアナログ機能間のオフチップ相互接続を最小限に抑えます。通常、パッケージの最小化とモジュール基板の小型化により、サイズと重量が削減され、システムの信頼性が向上します。

デジタル信号処理とアナログ回路の両方を使用するため、ミックスドシグナルICは通常、非常に特殊な用途向けに設計されます。その設計には高度な専門知識と、コンピュータ支援設計（CAD）ツールの慎重な使用が求められます。また、専用の設計ツール（ミックスドシグナルシミュレータなど）や記述言語（ VHDL-AMSなど）も存在します。完成したチップの自動テストもまた、困難な場合があります。テラダイン、キーサイト、アドバンテストは、ミックスドシグナルチップ向けのテスト機器の主要サプライヤーです。

ミックスドシグナル回路の製造には、いくつかの特有の課題があります。

  • CMOS技術は通常、デジタル性能に最適であり、バイポーラ接合トランジスタは通常、アナログ性能に最適です。しかし、ここ10年ほど前までは、これらをコスト効率よく組み合わせたり、性能を大きく損なうことなく単一の技術で両方を設計したりすることは困難でした。高性能CMOS、BiCMOS、CMOS SOI、SiGeなどの技術の登場により、これらの従来の妥協点の多くは解消されました。
  • ミックスドシグナル IC の機能動作のテストは依然として複雑で、コストがかかり、多くの場合「1 回限り」の実装タスクです (つまり、特定の用途が 1 つしかない製品には多くの作業が必要です)。
  • アナログ回路およびミックスドシグナル回路の体系的な設計手法は、デジタル回路よりもはるかに原始的です。一般的に、アナログ回路設計はデジタル回路設計ほど自動化できません。この2つの技術を組み合わせると、複雑さはさらに増します。
  • 高速に変化するデジタル信号は、敏感なアナログ入力にノイズを送ります。このノイズの経路の一つは基板結合です。このノイズ結合を遮断またはキャンセルするために、完全差動増幅器、[ 5 ] 、 P+ガードリング、[ 6 ] 、差動トポロジ、オンチップデカップリング、トリプルウェルアイソレーションなど、様々な技術が用いられています。[ 7 ]

バリエーション

ミックスドシグナルデバイスは標準部品として入手可能ですが、カスタム設計の特定用途向け集積回路（ASIC）が必要になる場合もあります。ASICは、新しいアプリケーション、新しい規格の登場、またはシステムに新しいエネルギー源が実装された際に設計されます。その特殊性から、ASICは通常、生産量が多いと見込まれる場合にのみ開発されます。ファウンドリや専門設計会社から、すぐに使用できテスト済みのアナログおよびミックスドシグナルIPブロックが提供されるようになったため、ミックスドシグナルASICの実現へのハードルは低くなっています。

ミックスドシグナルのフィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）やマイクロコントローラも存在します。[注 1 ]これらでは、デジタルロジックを処理する同じチップに、アナログ/デジタルコンバータやデジタル/アナログコンバータ、オペアンプ、無線接続ブロックなどのミックスドシグナル構造が含まれている場合があります。[ 8 ]これらのミックスドシグナルFPGAとマイクロコントローラは、標準的なミックスドシグナルデバイス、フルカスタムASIC、組み込みソフトウェアの間のギャップを埋めており、製品開発中や製品量がASICを導入するほど多くない場合にソリューションを提供します。ただし、アナログ/デジタルコンバータの解像度、デジタル/アナログ変換速度、入出力数の制限など、パフォーマンス上の制限がある場合があります。それでも、システムアーキテクチャの設計、プロトタイピング、さらには製造（小規模および中規模）をスピードアップできます。開発ボード、開発コミュニティ、場合によってはソフトウェアサポートによってもサポートされます。

歴史

MOSスイッチトキャパシタ回路

MOSFETは、フロッシュとデリックが二酸化シリコンによる表面パッシベーションを発見し、それを利用して最初のプレーナートランジスタを作った後、1955年から1960年の間にベル研究所で発明されました。このトランジスタでは、ドレインとソースが同一表面に隣接していました。[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]ロバート・ノイスとジャック・キルビーによるシリコン集積回路の発明は、ジーン・ホーニが開発したプレーナープロセスによって可能になりました。[ 14 ]一方、ホーニのプレーナープロセスは、1955年と1957年にベル研究所でカール・フロッシュとリンカーン・デリックが開発した表面パッシベーション法に触発されました。 [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]

MOS技術は、1970年代初頭にベル研究所の元技術者デビッド・A・ホッジスがカリフォルニア大学バークレー校のポール・R・グレイとともに開発した、アナログ信号処理とデジタル信号処理を1つのチップに統合したMOSミックスドシグナル集積回路により、電話用途でようやく実用化されました。 [ 22 ] 1974年、ホッジスとグレイはRE・スアレスとともにMOSスイッチト・キャパシタ（SC）回路技術を開発し、これを用いてMOSキャパシタとMOSFETスイッチをデータ変換に用いるデジタル-アナログ変換器（DAC）チップを開発しました。[ 22 ] MOSアナログ-デジタル変換器（ADC）とDACチップは1974年までに商品化されました。 [ 23 ]

MOS SC 回路は、1970 年代後半にパルス符号変調(PCM) コーデックフィルタチップの開発につながりました。 [ 22 ] [ 24 ]シリコンゲートCMOS (相補型 MOS) PCM コーデックフィルタチップは、1980 年に Hodges と WC Black によって開発され、[ 22 ]それ以来デジタル電話の業界標準となっています。[ 22 ] [ 24 ] 1990 年代までには、公衆交換電話網(PSTN)などの通信ネットワークは、超大規模集積回路(VLSI) CMOS PCM コーデックフィルタによって大部分がデジタル化され、電話交換機、構内交換機(PBX)、およびキー電話システム(KTS)の電子交換システムや、ユーザー側モデムに広く使用されるようになりました。デジタルループキャリア、ペアゲインマルチプレクサ、電話ループエクステンダ、総合デジタル通信網（ISDN）端末、デジタルコードレス電話、デジタル携帯電話などのデータ伝送アプリケーション、音声認識装置、音声データストレージ、ボイスメール、デジタルテープレス留守番電話などのアプリケーション。[ 24 ]エドホルムの法則で観察されるように、デジタル通信ネットワークの帯域幅は指数関数的に増加しており、[ 25 ]主にMOS技術の急速なスケーリングと小型化によって推進されている。[ 26 ] [ 22 ]

RF CMOS回路

1980年代初頭、ベル研究所で働いていたパキスタン人エンジニアのアサド・アビディは、先端LSI開発研究所で、マーティ・レプセルター、ジョージ・E・スミス、ハリー・ボルとともに、サブミクロンMOSFET（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）VLSI（超大規模集積回路）技術の開発に取り組んだ。研究所の数少ない回路設計者の1人として、アビディは、サブミクロンNMOS集積回路技術の高速通信回路での可能性を実証し、光ファイバー受信機でGb/sデータレートを実現する初のMOS増幅器を開発した。アビディの研究は当初、当時高速回路の主流技術であったガリウムヒ素やバイポーラ接合トランジスタの支持者から懐疑的な見方をされた。1985年、彼はUCLAに加わり、1980年代後半にRF CMOS技術の先駆者となった。彼の研究は、無線周波数（RF）回路の設計方法を、個別のバイポーラトランジスタからCMOS集積回路へと変化させた。[ 27 ]

アビディは1980年代後半から1990年代初頭にかけて、信号処理および通信用のアナログCMOS回路を研究していました。1990年代半ば、携帯電話の普及に伴い、彼が先駆的に開発したRF CMOS技術は無線ネットワークに広く採用されました。2008年現在、すべての無線ネットワーク機器と現代の携帯電話に搭載されている無線トランシーバーは、RF CMOSデバイスとして量産されています。[ 27 ]

現代のあらゆる無線ネットワーク機器や携帯電話に搭載されているベースバンドプロセッサ[ 28 ] [ 29 ]と無線トランシーバは、RF CMOSデバイスを使用して量産されています。[ 27 ] RF CMOS回路は、衛星技術（ GPSなど）、Bluetooth、Wi-Fi、近距離無線通信（NFC）、モバイルネットワーク（ 3G、4G、5Gなど）、地上波放送、自動車レーダーアプリケーションなど、さまざまなアプリケーションで無線信号の送受信に広く使用されています。[ 30 ] RF CMOS技術は、無線ネットワークやモバイル通信機器を含む現代の無線通信に不可欠です。[ 31 ]

商業例

参照

注記

  1. ^ミックスドシグナル FPGA は、フィールドプログラマブルアナログアレイの拡張です。
  2. ^一部のファウンドリでは、自社の技術に対応したミックス信号設計サービスを提供できる設計サービスやパートナーのリストを持っている場合もあります。

参考文献

  1. ^ Saraju Mohanty , ナノエレクトロニクス・ミックスドシグナル・システム設計, McGraw-Hill, 2015, ISBN 978-0071825719および 0071825711。
  2. ^「ミックスドシグナルIC設計」。引用：「ミックスドシグナル（単一チップ上にアナログ回路とデジタル回路が混在するIC）」
  3. ^ Mark Burns および Gordon W. Roberts、「ミックスドシグナル IC テストおよび測定入門」、2001 年。
  4. ^「ESS ミックスドシグナル回路」 2010年10月11日アーカイブ、 Wayback Machine
  5. ^ Chang, JJ; Myunghee Lee; Sungyong Jung; Brooke, MA; Jokerst, NM; Wills, DS (1999). 「光電子工学アプリケーションにおけるミックスドシグナル基板ノイズを抑制する完全差動電流入力CMOSアンプフロントエンド」. ISCAS'99. Proceedings of the 1999 IEEE International Symposium on Circuits and Systems VLSI (Cat. No.99CH36349) . Vol. 1. pp.  327– 330. doi : 10.1109/ISCAS.1999.777869 . ISBN 0-7803-5471-0. S2CID  206955680 .
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さらに読む

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