基板結合
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集積回路では、信号が基板を介してあるノードから別のノードに結合することがあります。この現象は基板結合または基板ノイズ結合と呼ばれます。
コスト削減、回路基板の小型化、顧客機能の追加などの推進により、主にデジタル MOS集積回路(IC) にアナログ機能を組み込んでミックスドシグナル ICを形成する動機が生まれました。 これらのシステムでは、デジタル回路の速度は常に向上し、チップはより高密度に実装され、相互接続層が追加され、アナログ解像度が向上しています。 さらに、最近のワイヤレス アプリケーションの増加とその市場の成長により、ミックスドシグナル システムを実現するための新しい一連の積極的な設計目標が導入されています。 この場合、設計者は無線周波数 (RF) アナログ回路とベース バンド デジタル回路を 1 つのチップに統合します。 目標は、すべてのブロックが同じチップ上に製造される、シリコン上にシングル チップの無線周波数集積回路 (RFIC) を作ることです。 この統合の利点の 1 つは、パッケージ ピンの数と関連するボンド ワイヤの容量が減るため、消費電力が低くなり、携帯性に優れていることです。その他の利点としては、パッケージ相互接続寄生容量の低減による高周波性能の向上、システム信頼性の向上、パッケージ数の削減、RFコンポーネントとVLSI互換のデジタル回路の高集積化などが挙げられます。実際、シングルチップトランシーバーは今や現実のものとなっています。
しかし、このようなシステムの設計は複雑な作業です。ミックスドシグナル IC を実現するには、主に 2 つの課題があります。最初の難しい課題は、RFIC に特有のもので、高 Qインダクタなどの優れたオンチップ受動素子を製造することです。2 つ目の難しい課題は、あらゆるミックスドシグナル IC に当てはまり、この章の主題ですが、システムの誤動作を避けるために、システムのさまざまな部分間のノイズ結合を最小限に抑えることです。言い換えれば、ミックスドシグナル システムのシステムオンチップ統合を成功させるには、非理想的な分離によって発生するノイズ結合を最小限に抑えて、敏感なアナログ回路とノイズの多いデジタル回路が効果的に共存し、システムが正しく動作する必要があります。詳しくは、ミックスドシグナル回路では、敏感なアナログ回路と高振幅の高周波ノイズ注入デジタル回路の両方が同じチップ上に存在する場合があり、導電性基板を介してこれら 2 種類の回路間で不要な信号結合が発生することに注意してください。これらの回路間の距離は、技術の継続的なスケーリング（ムーアの法則および国際半導体技術ロードマップを参照）の結果として縮まり、結合が悪化します。この問題は深刻で、異なる性質と強度の信号が干渉し、全体的な性能に影響を与えるため、より高いクロックレートとより高いアナログ精度が求められます。
ミックスドシグナルノイズカップリングの主な問題は、高速に変化するデジタル信号が敏感なアナログノードに結合することです。不要な信号カップリングのもう一つの大きな原因は、高周波／高出力のアナログ信号によるアナログノード間のクロストークです。ミックスドシグナルノイズカップリングが発生する媒体の一つが基板です。デジタル演算は基盤となる基板電圧に変動を引き起こし、それが共通基板全体に広がり、アナログセクションの敏感なデバイスの基板電位に変動を引き起こします。同様に、アナログノード間のクロストークの場合、信号は基板を介してあるノードから別のノードに結合することがあります。この現象は基板カップリングまたは基板ノイズカップリングと呼ばれます。
混合信号結合のモデリング、分析、検証
基板とミックスドシグナルカップリングに関する文献は数多く存在します。最も一般的なトピックは以下のとおりです。
- 電子機器に固有のランダム ノイズと回路によって生成される確定的なノイズを区別します。
- デジタル回路における不要信号の発生原因となる物理現象と、それらがシステムの他の部分へ伝達されるメカニズムを検証します。最も一般的な結合メカニズムは基板ですが、容量結合、相互インダクタンス、電源を介した結合も解析します。
- 様々なモデリング手法とシミュレーション手法を比較します。デジタルノイズ生成、基板インピーダンスネットワーク、そして（意図しない）受信機の感度については、様々なモデルが考えられます。選択された手法は、解析の速度と精度に大きな影響を与えます。
- 基板および混合信号解析技術は、配置および電力配分合成に適用できます。
参考文献
- 集積回路のための電子設計自動化ハンドブック、Lavagno、Martin、Scheffer著、ISBN 0-8493-3096-3電子設計自動化分野の概説。この記事は、ニシャス・バーギースと永田誠著『システムオンチップ設計におけるミックスドシグナル・ノイズ結合：モデリング、分析、検証』第2巻第23章から許可を得て抜粋したものです。
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