ISOC 期中報告 - Mixed-Mode Design

1. ISOC 期中報告- Mixed-Mode Design Speaker:賴岱鈺 923102謝宜樹 933102 2004.12.02

2. 數位與類比電路的生存空間 • 數位技術是一種人工編碼技術，而自然界的監測對象和控制對象，如聲音、光、溫度……全是連續變化的“類比量”。數位技術不可能直接監測和直接控制。實現這一界面功能的正是類比電路。 • 數位信號只能有線傳輸，採用射頻載波的調製和解調，才能完成無線發射和接收。 類比處理程序&數位/類比界面 聲音的I/O 數位系統 影像的I/O 感測器I/O 傳輸媒介 電源供應

3. 類比電路的市場與發展 大部分電子產品最後都必須提供類比輸出訊號，以符合人機界面的需求。 • 市場調查資料顯示：數位ASIC的年成長率18% 純類比或是混合訊號年成長率35~40% • 類比/混合訊號：包括消費性電子產品、電信產品和汽車電子產品 • 對於大型系統而言，為了達到功能的完整性必須組合許多不同的 數位邏輯元件(logic devices)和由分離式被動元件(discrete passive components)、線性類比晶片。 • 常見的類比界面功能包括：anti-aliasing、頻道選擇濾波器(channel selection filters)、ADC/DAC，訊號重建濾波器和增益混音器等

4. 類比與數位技術的融合 • 通常類比的信號level比數位低好幾個數位級，容易被外部雜訊所干擾。 • 溫度、濕度、壓力等是基礎的類比信號，對微弱的類比電路具決定性影響。 • 隨著數位產品的高速化，高速化類比的技術愈趨重要。 數位信號高頻化結果

5. 類比晶片技術的困難與改進 數位晶片(ASIC)的技術已經發展的非常成熟，但是相對地類比晶片(analog IC)在各項技術上的成熟度和普及性卻遠遠落後於數位晶片 。造成類比晶片技術遠落後於數位晶片的主要原因在於：兩者在設計上或是製程技術上都有存在的本質差異。 (1)製程技術：早期MOS的類比特性幾乎完全無法與雙載 子電晶體(bipolar transistor)的特性相比 使用double-poly CMOS或BiCMOS (2)設計：元件特性的微小偏差對於對於數位晶片而言影 響不大，但是卻會嚴重影響類比晶片功能。 RC濾波器→開關電容濾波器

6. Full-Custom IC設計的重要挑戰 在客製化IC設計上的主要推動力為：經濟力、複雜度與物理效應。 經濟力傾向將設計朝向更多的整合與更小尺寸時，則產生的設計複雜度與嚴苛的物理特性，其相對應的處理成本將會指數性地成長。 由於複雜度的提升，設計團隊需要一個更快速的設計平台以滿足時程規劃；同樣地，隨著物理效應的增加，也需要一更高矽精度的設計平台 。

7. 設計複雜度的增加

8. 物理效應增加

9. 混合訊號IC設計的發展 單個IC ASIC SoC (digital) Mixed-mode SoC • 深次微米及奈米技術的發展促使晶片設計與製造發展流程： 混合訊號設計可以減少成本，減少電路外形尺寸，並提供更好的功能。 • 晶片驗證佔晶片設計50%到70%的工作量，大量的人力、硬體以及時間資源都消耗在驗證上。隨著晶片複雜度上升，驗證工作無論從複雜性或工作量上都在呈指數上升。 驗証技術是混合訊號技術的關鍵

10. 現階段混合訊號IC設計方式 數位：HDL→模擬→合成→佈局佈線 類比：電路圖→SPICE模擬→佈局佈線

11. ADMS解決方案 • Advance MS(ADMS )：Mentor Graphics的混合驗證平台

12. Eldo優於SPICE的性能

13. ADMS設計技術 ADMS整合了以上三種工具的設計技術，對於類比電路採用Eldo或是Mach，對於數位電路則是採用ModelSim→具單一核心引擎，將數位設計和類比設計組合成一個整體。

14. 混合信號測試 • 混合信號技術給當今的半導體製造商們帶來了很多新挑戰，以前一些對數位電路只有很小影響的缺陷如今在混合信號IC中卻可能大大改變類比電路的功能。 • 為確保這些新型半導體元件達到“無缺陷” 水準，需要開發新的測試策略、方法與技術。

15. 測試比較

16. 很多嵌入式半導體元件由不同的類比和數位電路混合而成，利用精確合理的混合信號測試過程，我們可以確保在元件運行過程中不會出現問題。 • 這也是諸如手機、數位相機、CD播放機之類的最新通訊設備及消費性設備得以進展之重要因素之一。

17. 智慧型分割(Smart Partitioning)概念 • 整個80年代，迫於技術限制，必須使用多個分割晶片才能執行類比功能，這實在是受限於當時的分割能力，別無選擇。 • 到了90年代，技術的發展使得這些類比區塊(Block)可以整合。而混合信號整合，對效能的改進帶來了重大影響。 • 經過80年代和90年代，重心逐漸改為在數位的處理過程中加入類比功能，使得數位和類比電路整合在單一晶片上，也就是混合訊號晶片。 但隨著進入微米時代，正面臨某些重要的物理極限，這些物理極限將會改變成本與效能的折衷關係。

18. 智慧型分割優勢 • 能夠將數位功能整合到高效能類比電路裡，反之亦然。 • 物理上的極限劇烈衝擊著「不可避免的高度整合趨勢」，這是可思考的另一整合形式。

19. 智慧型分割考量因素 當完全整合不是最佳解決方案時 • 智慧型分割的應用可讓設計工程師自由做分割，而不是強迫他們基於對晶片功能固有的限制進行某種安排。 • 類比電路與高性能DSP結合起來實現組合功能，可以提供多種分割方案的選擇。 • 為了做出最明智的選擇，必須融合對系統的深刻理解。 • 電源電壓 • 腳位數目 • 介面頻寬 • 可測試性和產量 • 外部元件 • 彈性 • 成本和效能 設計時智慧分割的實際考量

20. 混合訊號視訊解碼器(video decoder) • 製造廠商：德州儀器 (TI)

21. TVP5150 TVP5146之差異 TVP5150 可攜式和量產型應用 • 體積和功耗都很小，能支援各種新產品，例如視訊擷取裝置和可攜式個人錄影機。 • 採用業界最小的32隻接腳TQFP封裝 TVP5146 高畫質和高效能應用 • 適合成長快速的DVD-R市場，也能用於個人錄影機、數位錄影機、液晶電視、數位電視和視訊擷取裝置。 • 提供10組視訊輸入和支援，具備強大的應用彈性。 • 內建四組10位元30-MSPS類比數位轉換器則擁有絕佳的低雜訊操作能力。

22. video decoder 示意圖 TVP5150 application TVP5146 application