Karışık sinyal devreleri

Karışık sinyalli entegre devre, tek yarı iletken kalıpta hem analog hem de dijital devresi olan entegre bir devre'dir.Saraju Mohanty, Nanoelectronic Mixed-Signal System Design, McGraw-Hill, 2015,  and 0071825711."Mixed-Signal IC Design" . quote: "mixed-signal (IC's with mixed analog and digital circuits on a single chip)"Mark Burns and Gordon W. Roberts, "An Introduction to Mixed-Signal IC Test and Measurement", 2001."ESS Mixed Signal Circuits" 

Cep telefonları, telekomünikasyon, mobil elektronik cihazlar ve elektronik devreli ve dijital sensörlü otomobillerin çoğalmasıyla kullanımları karışık sinyalli entegre devreler arttı.

Genel Bakış 
Entegre devre'ler (IC) sayısal (ör. mikroişlemci) veya analog (ör. işlemsel amplifikatör) olarak sınıflandırılır. Karışık sinyalli IC'lerin aynı çipte hem sayısal hem analog devreleri bazen de gömülü yazılımı vardır. Karışık sinyalli IC'ler hem analog hem de sayısal sinyalleri birlikte işler. Örneğin Analog Dijital Dönüştürücü (ADC) tipik bir karışık sinyal devresidir.

Karışık sinyal IC'ler genellikle analog sinyalleri sayısal sinyallere çevirilmesi ve böylece dijital cihazların bu sinyalleri işleyebilmesi için kullanılır. Karışık sinyalli IC, dijital amplifikatörlü medya oynatıcısı gibi dijital ürünlerin FM alıcılarının temel bir bileşenidir. Herhangi bir analog sinyal basit bir ADC kullanılarak sayısallaştırılabilir. Bunların en küçüğü ve en enerji verimlisi karışık sinyalli IC'lerdir.

Karışık sinyal işlevselliği, aynı çipte hem geleneksel aktif elemanları (ör. transistörler) hem de iyi performanslı pasif elemanları (bobin, kapasitör ve direnç gibi) içerir. Bu, üretim teknolojilerinden ek modelleme anlayışı ve seçenekleri gerektirir. Muhtemelen düşük güçlü CMOS işlemci sistemli, dijital bir çipte güç yönetim işleri için yüksek voltaj transistörlerine gerek duyulabilir. Bazı gelişmiş karışık sinyal teknolojileri, analog sensör elemanların (basınç sensörleri veya görüntüleme diyotları gibi) bir ADC ile aynı çipte birleştirilmesini sağlayabilir.

Genellikle karışık sinyalli IC'lerin mutlaka yüksek hızlı dijital performansı olmasına gerek yoktur. Bunun yerine test edilebilirlik planlaması ve güvenilirlik tahminleri gibi daha doğru simülasyonlar ve doğrulamalar için aktif ve pasif elemanların olgun modellerine gerek duyarlar. Bu yüzden karışık sinyal devreleri genelde yüksek hızlı ve yoğun sayısal mantıktan daha ziyade büyük hat genişlikleriyle gerçekleştirilir ve uygulama teknolojileri, en son dijital uygulama teknolojilerinin iki ila dört nesil gerisinde olabilir.

Karışık sinyal işleme, özel metal, yalıtkan katmanlar veya standart üretim süreçlerinin benzer uyarlamalarını gerektirebilecek direnç, kapasitör ve bobin gibi pasif elemanlara gerek duyabilir. Bu özel gereksinimler nedeniyle karışık sinyalli IC'lerin ve dijital IC'lerin farklı üreticileri (dökümhaneler) olabilir.

 Uygulamalar 
Karışık sinyalli entegre devreler, cep telefon'ları, modern radyo ve telekomünikasyon sistemleri, çipte standart sayısal sistemli sensör sistem arayüzleri (I²C, UART, SPI veya CAN dahil), sesle ilgili sinyal işleme, havacılık ve uzay elektroniği, Nesnelerin interneti (IoT), İnsansız hava araçları (İHA), otomotiv ve diğer elektrikli araçlar gibi pek çok yerde kullanılır. Karışık sinyal devreleri tüketici elektroniği yapımı, endüstriyel, tıbbi, ölçüm ve uzay uygulamalarında olduğu gibi uygun maliyetli çözümler sunar.

Delta-sigma modülasyonu kullanan veri dönüştürücüler, analogdan dijitale dönüştürücü'ler ve hata bulma ve düzeltme kullanan dijitalden analoğa dönüştürücü'ler ve dijital radyo çipleri karışık sinyalli entegre devrenin çeşitli örnekleridir. Sayısal kumandalı ses çipleri de karışık sinyal devresidir. Hücresel ve ağ teknolojisinin gelişmesiyle birlikte bu kategori artık cep telefonu, yazılım radyo ve LAN ve WAN ve yönlendirici entegre devrelerini kapsar.

 Tasarım ve geliştirme 
Genellikle karışık sinyal çipleri, bir cep telefonu’nun radyo sistemi veya bir DVD oynatıcının okuma veriyolu ve lazer SLED kontrol mantığı gibi daha büyük düzenekte bazı işlevleri yaparlar. Karışık sinyalli IC'ler genellikle çip üzerinde sistem’in tamamını kapsar. Ayrıca analog IC'lere kıyasla üretimi karmaşıklaştıran çip üzerinde bellek bloklarını (OTP gibi) içerebilirler. Karışık sinyalli IC, sistemdeki sayısal ve analog işlevler arasındaki çip dışı ara bağlantıları en aza indirir (genellikle küçültülmüş paketleme ve küçük modül alt tabakası nedeniyle boyutu ve ağırlığı azaltır) ve dolayısıyla sistem güvenilirliğini artırır.

Hem sayısal sinyal işleme hem de analog devrelerin kullanılması nedeniyle, karışık sinyalli entegre devreler genellikle çok özel bir amaç için tasarlanır. Tasarımları yüksek düzeyde uzmanlık ve bilgisayar destekli tasarım (CAD) araçlarının dikkatli kullanımını gerektirir. Ayrıca belirli tasarım araçları (karışık sinyal simülatörleri gibi) veya açıklama dilleri (VHDL-AMS gibi) vardır. Bitmiş çiplerin otomatik olarak denenmesi de zorlayıcı olabilir. Teradyne, Keysight ve Advantest, karışık sinyal çiplerine yönelik test ekipmanlarının başlıca tedarikçileridir

Karışık sinyal devresi imalatının bazı özel zorlukları vardır:
 CMOS teknolojisi genellikle sayısal performans için ideal iken bipolar junction transistörleri ise genellikle analog performans için iyidir. Ancak son on yıla kadar bunları uygun maliyetli bir şekilde birleştirmek veya ciddi performanstan ödün vermeden her ikisini de tek bir teknolojide tasarlamak zordu. Yüksek performanslı CMOS, BiCMOS, CMOS SOI ve SiGe gibi teknolojilerin ortaya çıkışı bu eski uzlaşmaların çoğunu ortadan kaldırdı.
 Karışık sinyalli entegre devrelerin fonksiyonel çalışmasının testi karmaşık ve pahalı olmaya devam etmektedir ve çoğu zaman "tek seferlik" bir görevdir (yani tek, özel kullanımlı bir ürün için çok çalışma gereklidir).
 Analog ve karışık sinyal devrelerinin sistematik tasarım yöntemleri sayısal devrelerden çok daha ilkeldir. Genellikle analog devre tasarımı, neredeyse dijital devre tasarımının yapabildiği ölçüde otomatikleştirilemez. İki teknolojinin birleştirilmesi bu karmaşıklığı artırır.
 Hızlı değişen dijital sinyaller, hassas analog girişlere gürültü gönderir. Bu gürültünün bir yolu substrat bağlantısıdır. Bu gürültü bağlantısını engellemeye veya iptal etmeye çalışmak için tam diferansiyel amplifikatörler P+ koruma halkaları, diferansiyel topoloji, çip üzerinde ayırma ve üçlü kuyu izolasyonu gibi çeşitli teknikler kullanılır.

 Çeşitler 
Karışık sinyalli cihazları, standart ürün olarak vardır ancak bazen özel tasarlanmış uygulamaya özel entegre devre'ler (ASIC'ler) gereklidir. ASIC'ler yeni standartlar ortaya çıktığında veya sisteme yeni enerji kaynakları uygulandığında yeni uygulamalar için tasarlanmıştır. Uzmanlıkları nedeniyle ASIC'ler genellikle yalnızca üretim hacminin büyük olacağı tahmin edildiğinde geliştirilir. Dökümhanelerden veya özel tasarım evlerinden hazır ve test edilmiş analog ve karışık sinyal IP bloklarının (Yarı iletken fikrî mülkiyet çekirdeği) bulunması karışık sinyalli ASIC'lerin yapım açığını azalttı.

Ayrıca karışık sinyalli Alanda Programlanabilir Kapı Dizi'leri (FPGA'ler) ve mikrodenetleyici'ler de vardır. Bunlarda sayısal mantığı işleyen çip, analogdan dijitale ve dijitalden analoğa dönüştürücüler, işlemsel amplifikatörler veya kablosuz bağlantı blokları gibi karışık sinyal yapılarını içerebilir. Bu karışık sinyalli FPGA'ler ve mikro denetleyiciler, standart karışık sinyalli cihazlar, tam özel ASIC'ler ve gömülü yazılımlar arasındaki boşluğu doldurur. Ürün geliştirmede veya ürün hacmi ASIC'i haklı çıkarmayacak kadar az olduğunda çözüm olabilirler. Ancak analogdan dijitale dönüştürücülerin çözünürlüğü, dijitalden analoğa dönüştürme hızı veya sınırlı sayıda giriş ve çıkış gibi performans sınırları olabilir. Ancak sistem mimari tasarımını, prototip yapmayı ve hatta üretimi küçük ve orta ölçeklerde hızlandırabilir. Kullanımları ayrıca geliştirme kurulları, geliştirme topluluğu ve muhtemelen yazılım desteği ile desteklenebilir.

Tarihçe
MOS anahtarlamalı kapasitör devreleri

Metal-oksit-yarı iletken alan etkili transistör (MOSFET veya MOS transistörü), 1959'da Mohamed M. Atalla ve Dawon Kahng tarafından Bell Labs'de icat edildi. Kısa süre sonra MOS entegre devre çipi önerildi. Ancak MOS teknolojisi, Fairchild ve RCA tarafından bilgisayar gibi [[Dijital elektronik
|dijital elektronik devreler]] için ticarileştirilmeden önce Bell tarafından analog telefon uygulamaları için pratik bulmadıkları için başlangıçta göz ardı edilmişti. MOS teknolojisi eski Bell mühendisi David A. Hodges ve Paul R. Gray tarafından 1970'lerin başında UC Berkeley'de geliştirilen, analog ve dijital sinyal işlemeyi tek bir çipte birleştiren MOS karışık sinyalli entegre devre'si ile sonunda telefon uygulamalarında kullanılabilir hale geldi.

1974'te Hodges ve Gray, veri dönüşümü için MOS kapasitörlerini ve MOSFET anahtarlarını kullanarak, bir dijital-analog dönüştürücü (DAC) yongası geliştirmek için kullandıkları MOS anahtarlamalı kapasitör (SC) devre teknolojisini geliştirmek için R.E. Suarez ile birlikte çalıştılar. MOS Analog dijital dönüştürücü (ADC) ve DAC yongaları 1974'te ticarileştirildi.

MOS SC devreleri, 1970'lerin sonlarında darbeli kod modülasyonu (PCM) codec filtresi çiplerinin geliştirilmesine yol açtı. Hodges ve W.C.Black tarafından 1980 yılında geliştirilen silikon kapılı CMOS (tamamlayıcı MOS) PCM codec filtre çipi, o zamandan beri dijital telefon için endüstri standardı olmuştur.

1990'lara gelindiğinde, kamu anahtarlamalı telefon ağı (PSTN) gibi telekomünikasyon ağları, telefon santralleri, özel şube santralleri (PBX) ve anahtar telefon sistemleri (KTS); kullanıcı tarafı modem'ler; dijital döngü taşıyıcıları, çift kazanç çoklayıcı'lar, telefon döngüsü genişleticileri, entegre hizmetler dijital ağ (ISDN) terminalleri, sayısal kablosuz telefon'lar ve sayısal cep telefonları gibi veri iletim uygulamaları ve konuşma tanıma ekipmanı, sesli veri depolama, sesli posta ve dijital bantsız telesekreter gibi uygulamalar için elektronik anahtarlama sistemlerinde çok kullanılan çok büyük ölçekli entegrasyon (VLSI) CMOS PCM codec filtreleri ile büyük ölçüde dijitalleştirildi.

Dijital telekomünikasyon ağlarının bant genişliği, Edholm yasasında gözlemlendiği gibi, büyük ölçüde MOS teknolojisinin hızlı ölçeklendirilmesi ve minyatürleştirilmesi nedeniyle hızlı şekilde üstel bir oranda artmaktadır.

RF CMOS devreleri

Pakistanlı mühendis Asad Abidi, 1980'lerin başında Bell Laboratuvarlarında çalışırken, Gelişmiş LSI Geliştirme Laboratuvarı'nda mikron altı MOSFET (metal-oksit-yarı iletken alan etkili transistör) VLSI (çok büyük ölçekli entegrasyon) teknolojisinin geliştirilmesinde Marty Lepselter, George E. Smith ve Harry Bol ile birlikte çalıştı. Laboratuvardaki birkaç devre tasarımcısından biri olan Abidi, yüksek hızlı iletişim devrelerinde mikron altı NMOS entegre devre teknolojisinin potansiyelini gösterdi ve fiber optik alıcılarda Gb/s veri hızları için ilk MOS amplifikatörlerini geliştirdi. Abidi'nin çalışması başlangıçta, o zamanlar yüksek hızlı devreler için baskın teknolojiler olan galyum arsenür ve bipolar bağlantı transistörlerinin savunucuları tarafından şüpheyle karşılandı.

1985 yılında Abidi UCLA'ya katıldı ve burada 1980'lerin sonunda RF CMOS teknolojisine öncülük etti. Çalışmaları, radyo frekansı (RF) devrelerinin tasarlanma şeklini ayrık bipolar transistörlerden CMOS entegre devre’lere doğru değiştirdi.

Abidi, 1980'lerin sonlarından 1990'ların başlarına kadar sinyal işleme ve iletişim için analog CMOS devreleri araştırıyordu. 1990'ların ortasında, öncülüğünü yaptığı RF CMOS teknolojisi, cep telefonları yaygın kullanıma girmeye başladıkça kablosuz ağ alanında geniş çapta benimsendi.

2008 yılı itibarıyla, tüm kablosuz ağ cihazlarındaki ve cep telefonlarındaki radyo alıcı-vericileri RF CMOS cihazları olarak seri üretilmektedir.

Tüm modern kablosuz ağ cihazlarındaki ve cep telefonlarındaki temel bant işlemcileri ve radyo alıcı-vericileri, RF CMOS cihazları kullanılarak seri üretilir.

RF CMOS devreleri uydu teknolojisi (GPS gibi), Bluetooth, Wi-Fi, yakın alan iletişimi (NFC), mobil ağlar (3G, 4G ve 5G gibi), karasal yayın ve otomotiv radarı gibi çeşitli uygulamalarda kablosuz sinyalleri iletmek ve almak için yaygın kullanılır. RF CMOS teknolojisi, kablosuz ağlar ve mobil iletişim cihazları dahil olmak üzere modern kablosuz iletişimler için çok önemlidir.

 Ticari örnekler 
 Karışık sinyal tasarım evleri ve kaynaklarına örnekler:
 AnSem
 CoreHW
 EnSilica
 ICsense
 Presto Engineering
 Sondrel
 System to ASIC
 Triad Semiconductor
 Karışık sinyal FPGA'leri ve mikro denetleyici örnekleri:
 Analog Devices CM4xx Karışık Sinyal Kontrol İşlemcileri
 Fusion FPGA(Microsemi' ürünüdür ve artık Microchip Technology'nin parçasıdır)
 Cypress PSoC – Infineon Technologies'in (eski adıyla Cypress Semiconductor) ürünü olan "çip üzerinde programlanabilir sistem" 'dir.
 Texas Instruments' TI MSP430 (MSP430)
 Xilinx mixed signal FPGA
 Karışık sinyal dökümhanelerine örnekler:
 GlobalFoundries
 New Japan Radio
 Tower Semiconductor Ltd
 X-Fab
 Ses çipleri listesi
 Yamaha FM sentez ses çipleri
 Atari POKEY
 MOS Technology SID

 Notlar 

Kaynakça

Bibliyografya

  http://CMOSedu.com/

Kategori:Elektronik tasarım