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ミックスドシグナル集積回路は、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、通信機器、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の増加に伴い、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 (マイクロプロセッサなど) またはアナログ (オペアンプなど) に分類されます。ミックスドシグナル IC には、同じチップ上にデジタル回路とアナログ回路の両方が含まれており、ソフトウェアが組み込まれている場合もあります。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一緒に処理します。たとえば、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て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。たとえば、ミックスドシグナル IC は、デジタルアンプを備えたメディアプレーヤーなどのデジタル製品の FM チューナーに不可欠なコンポーネントです。アナログ信号はすべて、非常に基本的な ADC を使用してデジタル化できますが、その中で最も小型でエネルギー効率に優れた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、アナログのみまたはデジタルのみの集積回路よりも設計と製造が困難です。たとえば、効率的なミックスドシグナル IC では、デジタル コンポーネントとアナログ コンポーネントで共通の電源を共有できます。ただし、アナログ コンポーネントとデジタル コンポーネントの電力要件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簡単な目標ではありません。
ミックスドシグナル機能には、同じチップ上に従来の能動素子 (トランジスタなど) と高性能受動素子 (コイル、コンデンサ、抵抗器など) の両方が含まれます。これには、追加のモデリングの理解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 (おそらく低電力CMOSプロセッサ システム) 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。一部の高度なミックスドシグナル技術では、ADC と同じチップ上にアナログ 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) を組み合わせることができます。
通常、ミックスドシグナル IC には必ずしも最速のデジタル性能は必要ありません。代わりに、テスト可能性計画や信頼性評価などのより正確なシミュレーションと検証を行うために、アクティブ要素とパッシブ要素のより成熟したモデルが必要です。したがって、ミックスドシグナル回路は、通常、最高速度と最も高密度のデジタル ロジックよりも広い線幅で実現され、実装テクノロジは最新のデジタルのみの実装テクノロジよりも 2 ～ 4世代遅れている可能性があります。さらに、ミックスドシグナル処理には、抵抗器、コンデンサ、コイルなどの受動要素が必要になる場合があり、これには特殊な金属、誘電体層、または標準的な製造プロセスの同様の適応が必要になる場合があります。これらの特定の要件のため、ミックスドシグナル IC とデジタル IC には異なる製造元 (ファウンドリと呼ばれる) が存在する場合があります。
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数多くあり、携帯電話、最新の無線および通信システム、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、またはCANを含む）を備えたセンサーシステム、音声関連の信号処理、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、測定、宇宙アプリケーションなどにおいて、 一般的にコスト効率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には、デルタシグマ変調を使用するデータコンバータ、エラー検出および訂正を使用するアナログ-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あります。デジタル制御の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出現により、このカテゴリには現在、携帯電話、ソフトウェア無線、LANおよびWANルーターの集積回路が含まれます。
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、より大きなアセンブリ内の一部の全体機能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、非常に特殊な目的のために設計されます。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必要です。また、特定の設計ツール (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困難な場合があります。Teradyne 、Keysight、およびAdvantest は、ミックスドシグナル チップのテスト機器の主要サプライヤです。
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テクノロジは通常、デジタル パフォーマンスに最適ですが、バイポーラ接合トランジスタは通常、アナログ パフォーマンスに最適です。ただし、ここ 10 年までは、コスト効率よくこれらを組み合わせたり、パフォーマンスを著しく損なうことなく 1 つのテクノロジ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などのテクノロジの出現により、これらの以前の妥協点の多くが解消されました。
- 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、特定の用途にのみ使用される製品には多くの作業が必要です)。
- アナログおよびミックスドシグナル回路の体系的な設計方法は、デジタル回路よりもはるかに原始的です。一般に、アナログ回路の設計は、デジタル回路の設計ほど自動化できません。2 つのテクノロジを組み合わせると、この複雑さが倍増します。
- 急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1つの経路は基板結合です。このノイズ結合をブロックまたはキャンセルするために、完全差動アンプ、[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、さまざまな技術が使用されています。[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、カスタム設計された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、新しい標準が登場したとき、または新しいエネルギー源 ( [説明が必要])がシステムに実装されたときに設計されます。その特殊性のため、ASIC は通常、生産量が多いと見積もられる場合にのみ開発されます。ファウンドリや専用設計会社から、準備が整ったテスト済みのアナログおよびミックスドシグナルIPブロックを入手できるようになったことで、ミックスドシグナル ASIC を実現するためのギャップは縮小されました。
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-デジタルおよびデジタル-アナログコンバータ、オペアンプ、またはワイヤレス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、および組み込みソフトウェアの間のギャップを埋めており、製品開発中または製品量がASICを正当化するには少なすぎる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-アナログ変換の速度、または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使用をサポートできます。
歴史
MOSスイッチドキャパシタ回路
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平面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。この平面トランジスタでは、ドレインとソースが同じ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・ホーニが開発した平面プロセスによって可能になりました。[14]一方、ホーニの平面プロセスは、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年代初頭にベル社の元エンジニアであるデイビッド・A・ホッジスとカリフォルニア大学バークレー校のポール・R・グレイが開発した、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、最終的に電話アプリケーションで実用化されました。 [22] 1974年、ホッジスとグレイはRE・スアレスと協力してMOSスイッチドキャパシタ（SC）回路技術を開発し、MOSキャパシタとMOSFETスイッチをデータ変換に使用するデジタル-アナログコンバータ（DAC）チップを開発しました。 [22] MOSアナログ-デジタルコンバータ（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、大規模集積回路（VLSI）CMOS PCMコーデックフィルタを使用し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、ユーザーエンドモデム、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で広く使用されていました。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機などのアプリケーションもあります。[24]デジタル通信ネットワークの帯域幅は、エドホルムの法則[25]で観察されるように、主にMOS技術の急速なスケーリングと小型化によって指数関数的に増加しています。 [26] [22]
RF CMOS回路
1980年代初頭に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、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、Advanced LSI Development Labでサブミクロン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における可能性を実証し、光ファイバー受信機でGb/sデータレートを実現する最初の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だ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に受け止められた。1985年に彼は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集積回路へと変えた。[27]
アビディは1980年代後半から1990年代前半にかけて、信号処理と通信用のアナログCMOS回路を研究していた。1990年代半ばには、携帯電話が広く普及し始め、彼が開発したRF CMOS技術が無線ネットワークに広く採用された。2008年現在、すべての無線ネットワークデバイスと現代の携帯電話の無線トランシーバーは、RF CMOSデバイスとして大量生産されている。[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
- ミックスシグナル設計会社とリソースの例:
- アンセム
- コアハードウェア
- エンシリカ
- ICセンス
- プレストエンジニアリング
- ソンドレル
- システムからASICへ
- トライアドセミコンダクター
- ミックスドシグナル FPGA とマイクロコントローラの例:
- アナログ・デバイセズCM4xx ミックスドシグナル制御プロセッサ
- Fusion FPGA (Microsemi 社製、現在は Microchip Technology の一部)
- Cypress PSoC – 「プログラマブル システム オン チップ」、Infineon Technologies (旧 Cypress Semiconductor) の製品
- テキサスインスツルメンツのMSP430
- ザイリンクス ミックスドシグナル FPGA
- ミックスシグナルファウンドリの例: [注 2]
- グローバルファウンドリーズ
- 新日本ラジオ
- タワーセミコンダクター株式会社
- Xファブ
- サウンドチップ一覧
参照
注記
- ^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。
- ^ 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
- ^ Saraju Mohanty、「ナノエレクトロニック・ミックスドシグナル・システム設計」、McGraw-Hill、2015年、ISBN 978-0071825719および0071825711。
- ^ 「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)」
- ^ 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。
- ^ 「ESS ミックスドシグナル回路」 2010-10-11 にWayback Machineでアーカイブ
- ^ 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向けの混合信号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。1999 IEEE国際回路およびシステム VLSI シンポジウムの議事録 (カタログ番号 99CH36349)。第 1 巻。pp. 327–330。doi :10.1109/ISCAS.1999.777869。ISBN 0-7803-5471-0. S2CID 206955680。
- ^ Singh, R. (1997). 「Spice を使用したミックス信号チップ設計における基板ノイズの問題」。国際電磁両立性会議。第 1997 巻。pp. 108–112。doi : 10.1049/cp: 19971128。ISBN 0-85296-695-4。
- ^ 「ミックスドシグナル IC が 0.18 μm CMOS で 14 ビット ADC と DSP を統合」
- ^ 「Microsemi Fusion ミックスシグナル FPGA」
- ^ US2802760A、リンカーン、デリック、フロッシュ、カール J.、「制御拡散のための半導体表面の酸化」、1957-08-13 発行
- ^ Frosch, CJ; Derick, L (1957). 「シリコンの拡散時の表面保護と選択的マスキング」.電気化学協会誌. 104 (9): 547. doi :10.1149/1.2428650.
- ^ Lojek, Bo (2007).半導体工学の歴史. ベルリン、ハイデルベルク: Springer-Verlag Berlin Heidelberg. p. 321. ISBN 978-3-540-34258-8。
- ^ Ligenza, JR; Spitzer, WG (1960). 「蒸気と酸素中でのシリコン酸化のメカニズム」. Journal of Physics and Chemistry of Solids . 14 : 131–136. Bibcode :1960JPCS...14..131L. doi :10.1016/0022-3697(60)90219-5.
- ^ Lojek, Bo (2007).半導体工学の歴史. Springer Science & Business Media . p. 120. ISBN 9783540342588。
- ^ クリストフ・ルキュイエ (2006)。『シリコンバレーの誕生：イノベーションとハイテクの成長、1930-1970』。MIT プレス。pp. 214–252。ISBN 978-0-262-12281-8.
フェアチャイルド プラナー シリコンバレーの創造。
- ^ US2802760A、リンカーン、デリック、フロッシュ、カール J.、「制御拡散のための半導体表面の酸化」、1957-08-13 発行
- ^ ハフ、ハワード、リオーダン、マイケル (2007-09-01)。「フロッシュとデリック：50年後（序文）」。電気化学協会インターフェース。16 (3): 29。doi :10.1149/2.F02073IF。ISSN 1064-8208 。
- ^ Lojek, Bo (2007).半導体工学の歴史. Springer Science & Business Media . p. 120. ISBN 9783540342588。
- ^ Frosch, CJ; Derick, L (1957). 「シリコンの拡散時の表面保護と選択的マスキング」.電気化学協会誌. 104 (9): 547. doi :10.1149/1.2428650.
- ^ モスコウィッツ、サンフォード L. (2016)。先端材料イノベーション：21世紀のグローバルテクノロジーの管理。ジョン・ワイリー＆サンズ。p. 168。ISBN 978-0-470-50892-3。
- ^ Christophe Lécuyer、David C. Brook、Jay Last (2010)。マイクロチップのメーカー：フェアチャイルドセミコンダクターのドキュメンタリー史。MIT Press。pp. 62–63。ISBN 978-0-262-01424-3。
- ^ Claeys, Cor L. (2003). ULSIプロセス統合III: 国際シンポジウム議事録。電気化学協会。pp . 27–30。ISBN 978-1-56677-376-8。
- ^ abcdef Allstot, David J. (2016). 「スイッチド キャパシタ フィルタ」(PDF)。Maloberti, Franco、Davies, Anthony C. (編)。回路とシステムの小史: グリーン、モバイル、パーベイシブ ネットワーキングからビッグ データ コンピューティングまで。IEEE回路およびシステム協会。pp. 105–110。ISBN 9788793609860。
- ^ 電子部品。米国政府印刷局。1974年。46ページ。
- ^ abc フロイド、マイケル・D.; ヒルマン、ガース・D. (2018年10月8日) [初版2000年]。「パルス符号変調コーデックフィルタ」。通信ハンドブック（第2版）。CRCプレス。pp . 26–1、26–2、26–3。ISBN 9781420041163。
- ^ Cherry, Steven (2004). 「Edholm の帯域幅の法則」. IEEE Spectrum . 41 (7): 58–60. doi :10.1109/MSPEC.2004.1309810. S2CID 27580722.
- ^ Jindal, Renuka P. (2009). 「ミリビットからテラビット/秒、そしてそれ以上へ - 60 年を超えるイノベーション」2009第 2 回電子デバイスおよび半導体技術に関する国際ワークショップ。pp. 1–6。doi :10.1109/ EDST.2009.5166093。ISBN 978-1-4244-3831-0. S2CID 25112828。
- ^ abc O'Neill, A. (2008). 「Asad Abidi が RF-CMOS の研究で評価される」. IEEE Solid-State Circuits Society Newsletter . 13 (1): 57–58. doi :10.1109/N-SSC.2008.4785694. ISSN 1098-4232.
- ^ チェン・ワイカイ (2018). VLSI ハンドブック. CRC プレス. pp. 60–2. ISBN 9781420005967。
- ^ モルガド、アロンソ;リオ、ロシオデル。ローザ、ホセ・M・デ・ラ (2011)。ソフトウェア無線用のナノメートルCMOSシグマデルタ変調器。シュプリンガーサイエンス＆ビジネスメディア。 p. 1.ISBN 9781461400370。
- ^ Veendrick, Harry JM (2017). ナノメートル CMOS IC: 基礎から ASIC まで。Springer。p. 243。ISBN 9783319475974。
- ^ 「インフィニオンがバルクCMOS RFスイッチのマイルストーンを達成」。EE Times。2018年11月20日。 2019年10月26日閲覧。
さらに読む
- Saraju Mohanty (2015)。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。ISBN 978-0071825719。
- R. Jacob Baker (2009). CMOS ミックスシグナル回路設計、第 2 版。http://CMOSedu.com/