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1、外文翻译译文：桥接模拟与数字世界之间的鸿沟大多数应用程序要求模拟和数字功能的并存，把此功能结合在单一芯片上的好处是很明显的。然而，这样的混合信号集成也向人们提出了重大挑战。此外，数字和模拟功能往往以不同的速度进行发展，但混合信号在如工业，汽车和医疗行业的解决方案在关键时期必须保持是能用的。最新的混合信号半导体工艺正在着力解决这些问题，本文将着重于当具体指定集成混合信号解决方案时设计者应考虑的一些问题。在现实世界中混合信号的解决方案系统设计人员经常从一个给定设计的模拟区域中进行数字区域的分区，这样做有多种原因：这两种技术混合组件的可用性，数字化设计的复杂性或作为标准产品的纯数字处理部分的存在。在
2、集成电路里配置模拟器件确实能让系统设计师降低整个模块的成本。此集成方法在诸如信或计算机等先进领域通常是难以实现的，但对于更成熟的或传统的市场，如汽车，医疗和工业是有实际意义的。对于这些成熟市场的大部分应用，数字化功能研究者正在寻找曾是纯模拟设计的方法。添加数字功能到模拟设计，部分上帮助了开发新的工艺技术，该工艺可以处理短信道，快速转换数字晶体管和高电压模拟晶体管。例如，AMI半导体公司最新的混合信号技术提供了在相同的设计平台上的数字和模拟集成功能。 I3T技术系列是基于0.35微米的补充金属氧化物半导体(晶体管型)的。有些人认为从一个纯粹的数字设计师的角度来看，这项技术已经过时，但它却是处在汽
3、车，工业和医疗行业的最前沿的技术。这种可选特性使真正的片上系统的设计能实现以下功能，包括高电压接口可达80伏，微处理性能可达32位，无线性能可达2.8千兆/赫兹，以及复杂逻辑设计可达每平方15 000个门电路。除了这些功能之外，使非易失性存储器的融合成为可能：电可擦可编程只读存储器可达4 千字节，快闪记忆体高达半兆位或生产一次性编程（OTP）的应用程序。能够在一个芯片上集成所有这些功能使客户有可能免受独立非易失性存储器市场过时的影响，该市场或多或少会受电脑市场的驱动。例如，当我们考虑汽车原始设备制造商的重新排位模块的成本时，这样做的好处是非常明显的。当考虑嵌入到汽车的应用模块的寿命长度时，当病
4、人在工业环境下或医学自我治疗设备上的花费是一个重要的考虑因素时，这也是很有意义的。不过从数字到模拟的鸿沟缩小在单一芯片上时必定会有问题发生。例如，来自高速数字电路上时钟的噪声会干扰模拟功能的敏感区域。此外，高功率模拟功能的开关电流可干扰低压数字处理器。我们的目标是保护低压晶体管电场效应的电压从10至高于30倍变化。这些重要的问题不是没有解决方案的。例如，一个I3T家庭使用的最新版本，I3T50的贸工部，使用的是深沟槽隔离技术。这种技术采用了一系列深入到IC基板的隔离壕沟，有效地创建了片上的用于细致地控制噪声和电源参数的“口袋”。 深槽技术除具保护功能外，也有助于减少晶片面积，方法是应用低压地区
5、的高电压模拟口袋的密集包装工艺。可以通过使用标准结隔离技术获得超过预计的10至60的使用面积。如前所述，系统设计师使用这些市场中的深亚微米技术的原因是常连接这些技术的设备的可用性，而不是应用程序本身的复杂性。在许多情况下，由一个8位微控制器，或32位高端应用程序可解决应用程序本身的复杂性。作为0.35微米I3T的产品是能够管理一个成本合理的集成环境的。如图1.9所示为一个现实的混合信号片上系统的典型应用框图。 图1.9 混合信号片上系统的框图基本上，该芯片通过一些数字化处理，集成了从传感器到执行机构系统的功能。传统的混合信号技术允许如放大器，模数转换器（ADC）和过滤器等模拟控制和信号处理功能
6、与如微控制器，存储器，定时器和在一个单一的、定制的芯片上的逻辑控制功能等数字功能相结合，处理算法或数学计算的所有信号都是以数字方式进行的，所以当通过微控制器提交用于比较或处理的数据时，所有信号的模拟向数字转换都是强制性的。但是模拟高压信号转换成数字输出信号时需要驱动器或负载。最近期的混合信号技术AMIS的发展，大大简化了这种驱动功能的实施。该技术是通过允许更高电压功能集成到具有要求相对较低电压的传统混合信号功能的一个IC上。这种高压混合信号技术与汽车电子应用尤为相关，该领域需要更高的输出电压，用于驱动电机或继电器，将模拟信号调节功能和复杂的数字处理结合起来。混合信号电路设计的发展趋势是添加一些
7、中央处理电路的类型到模拟电路。对于许多应用程序，如8051或6502的8位微控制器核是智能处理器的合适选择。 8位仍然是最流行的选择，因为片上系统的这种类型并不是要取代复杂的高端中央微处理器，而是将更多的权力下放或控制如在本地的（尽可能接近传感器）传感器调制电路的简单智能的应用去控制继电器或马达。一个汽车的例子是当转动方向盘以提高驾驶员的安全和改善视野时，车的大灯会横向发光。当通过串行链路（在执行LIN或I2C协议的大部分时间）时，传感器的输入来自转向角传感器输入，片上系统将与具有控制电机运动的一套板上算法相近。对于需要更多计算能力的高端应用，转移到ARM处理器是有可能的。这将创建一个高端的解
8、决方案（最新的成熟市场），这方案持续时间将超出应用程序的寿命，因为微控制器将是一个具有模拟模块功能的集成电路的一小部分。为了了解多大的几何区域能更适合一些混合信号应用，人们需要了解其涉及的所有特征。下面我们将讨论七个关键特征，然而，这绝对不是全面的。1混合信号应用器件的门和内存大小影响成本。门和内存大小影响成本是因为大多数混合信号器件的内核是被限制的。这与全数字电路是大不相同的。很多时候，全数字化的设备将有很多的输入输出设备，这些设备上的垫的数量决定了外围数量，也因此决定了区域大小。这对混合信号设备来说是很少见的情况。对于数字单元块中的大部分区域来说，能够非常接近预期的节约面积。人们期望，0.
9、25微米的单元能够比具有等效功能的0.35微米单元小51。如下列公式所示：即使这归数字单元持有，但我们看到的模拟单元将是一个完全不同的区域。因此，数字内容（包括内存）的数量对确定应用程序的最好技术是很关键的。2因为几何寄生而减缓降低。这对数字和模拟设计师来说都是好消息。这转化为高带宽和高数据传输速率是可以理解的。虽然每门电路或互连电阻的寄生电容的大小在几何跌幅里是最稳较低的，但它也较难预测。这可能会导致模拟建模问题和加强对仔细了解寄生的需要。3跨导的特点是跨栅极和源极之间的漏电流和电压的关系。因为几何降低而跨导越高。这对模拟和数字域都是好消息，在域里小电导与电容相互作用以创建更小的带宽，因此也
10、降低数据率。众所周知，几何降低也能降低设备的电压限。在纯数字的世界，有几种有益的方式：降低功率和减少辐射。唯一的缺点是在大多数数字电路里需要多个电压轨。在模拟域，积蓄力量是有，但操作范围的减少使设计任务更加艰难。对模拟设计师来说，偏置电路在VT + 2Von和Vdd（VT + 2Von）之间是相当普遍的。不幸的是，阈值电压VT与几何规模不匹配。换句话说，因为工艺减缩使得电压的操作范围变小。这意味着电路的模拟部分必须更严格的控制，使其转化为更大型、更匹配晶体管。4因为工艺减缩使通道电阻更低。虽然这听起来像是一件好事，而且对于数字电路，在模拟域，它一般能将晶体管增益降低。但在电路中，低增益可能意味
11、着多个阶段。5更小几何尺寸的线性也成为模拟设计中的一个考虑因素。通常非线性问题都通过电路规模的增长而解决的。从这样的一个例子可以看出，对于D / A和A / D转换器，其性能对电路的规模非常重要。6对模拟设计者来说，以更小规模工艺实现电路而产生的噪声能够引发问题。通常由于产生更多噪音的大型和高速数字电路使情况更糟。较小的工作电压范围，对设计师也是挑战。在模拟电路，由于信号电平降低，信噪比变得更糟，但噪音电平实际上可能上升。7更小规模的模拟电路模型是有问题的。这在很大程度上是由于较低水平的可预测性和寄生的性质，也有些是由于技术的成熟引起的。这当然随着技术的发展而提高。因为上面列出的这些项目对理解
12、几何过程缩小是很重要的，实际上，模拟规模变得更大，更难。这必须通过增加要使用的晶体管，电容器和电阻的大小来补偿。移动较小的技术时，只有当应用程序的性能有要求时，才转向使用小规模工艺。对于大多数的混合信号片上系统器件，将受设计中数字电路门数和内存容量的驱动。只在有重要的数字内容，你才应该考虑小型化工艺。结论新一代的混合信号处理技术已远远进入深亚微米世界，在这世界里，添加数字电路和内核到模拟专用集成电路已经成为一种成本效益法。随着数字化进程能力的增强和数字化处理马力逐渐变得易于使用，早在信号路径中，许多模拟功能被转换成数字信号。这种方法的优点是，数字滤波器和数字控制元件对由老化引起的漂移误差，工艺
13、变化或温度变化已经再不敏感。其结果是产生一个比模拟方法更健壮的设计。锁相环一个锁相环或锁相回路（PLL）是一个产生相位与输入“参考”信号相位相关的输出信号的相位控制系统。它是一种由可变频率振荡器和相位检测器组成的电子电路。此电路输入信号的相位与它的输出振荡器产生的信号的相位相比较，以调整其振荡器的频率保持相位匹配。来自相位检测器的信号用于控制反馈环路中的振荡器。频率是相位的阶段衍生。保持锁相阶段的输入和输出相位意味着保持锁相阶段的输入和输出频率。因此，锁相环可以跟踪输入信号频率，或者可以产生是输入频率的倍数的频率。前者用于解调，后者用于间接频率合成。锁相环被广泛运用在广播，通信，计算机及其他电
14、子领域。它们可以在噪音信道恢复信号，产生多个输入频率的稳定频率（频率合成），或在如微处理器等的数字逻辑设计中分布时钟定时频率。因为单一的集成电路可以提供一个完整的锁相环模块，所以该技术被广泛应用于现代电子设备中，实现输出频率从一赫兹到千兆赫兹。实践类比汽车比赛的比喻对于一个正在进行的实际的想法，类比于汽车比赛。有很多车，每个人都希望尽可能快的在轨道绕行。每圈对应一个完整的周期，每辆车将每小时完成几十圈。每小时的圈数（速度）对应角速度（即频率），但轨道（距离）对应相位（转换因子是围绕轨道环的距离）。在比赛期间，每辆车在自己的轨道上，并试图击败在场上的其他汽车，每辆汽车的位置不同。然而，如果发生意
15、外，一辆开路车以安全的速度出来。没有赛车允许开路车（或在他们面前的赛车）通过，但每个赛车要尽可能接近开路车。即使在赛道上，开路车只是一个参考，赛车成为锁相环。每个司机将测量他和开路车之间的相位差（圈中的距离）。如果司机发现很远，他会增加他的发动机转速，以缩小差距。如果他离开路车距离太近，他将减速。结果是所有赛车与开路车相位锁定。车在一圈的一个小部分绕行。时钟的比喻相位时间成正比，所以相位可以是一个时间差。钟表以不同程度的精确性，相位锁定于（锁定时间）主时钟。离开自己的位置，每个时钟将会以略有不同的比率记录时间。例如，墙上的时钟与NIST的参考时钟相比，可能每小时快几秒钟。随着时间的推移，将成为
16、巨大的时间差。为了保持时钟同步，主人每星期将挂钟时间与更精确的时钟比较（相位比较），将他的时钟校准。除此之外，挂钟与参考时钟将以每小时相同的秒数继续偏离。有些钟表有计时调整（快慢控制）。当主人将他的挂钟时间与参考时间相比时，他发现，他的时钟太快了。因此，他可以打开计时机调整器进行微调使时钟运行速度稍慢。如果操作顺利实施，他的时钟将更加准确。通过每周一系列的调整，挂钟的秒数将与参考时间一致（在挂钟的稳定能力之内）。锁相环的较早机械版本在1921年用于肖特时钟同步。结构和功能锁相环机制可以实现模拟或数字电路。这两种实现使用相同的基本结构。模拟和数字锁相环电路都包括四个基本要素：相位检测器，低通滤波器，可变频率振荡器，反馈路径（其中可能包括一个分频器）。
