在同时需要对模拟信号和数字信号进行处理的应用中,传统方法通常采用一个MCU和多个离散元件实现;使用混合信号MCU可将所有的系统功能都集成在一个系统单芯片上,较之传统方案电路更小,功耗更低,可靠性更高。

传统上,在同一颗芯片上提供模拟数字转换器(ADCs)和数字模拟转换器(DACs)支持是混合信号微控制器(MCU)所应达到的最低要求,然而设计人员对于“混合信号”组件的期望通常不单单于此。真正的混合信号微控制器是一种单芯片系统,它能同时处理模拟信号和数字信号的输入与输出,其效能则不比将模拟、数字分开处理的解决方案差。但真正功能完备、胜过传统解决方案的混合信号微控制器并不多见。

集强大功能于一身

混合信号微控制器能在同一颗芯片上处理不同类型的信号,从而使功能分割变得更相对简单。其固有的功能整合性不但可以简化设计,同时也减少了电路板面积。

在设计过程中,一旦系统规格和功能实现的分割方式确定后,接下来就要决定如何根据设计要求将系统最佳化,需要综合考虑系统效能最大化、功耗最小化、实体空间限制和系统总成本等众多因素。设计人员必须慎重选择需要用到的每一个元器件,例如传感器、制动器、晶体管/二极管/电容等离散模拟器件、电源供应和放大器等模拟芯片以及其他数字组件,包括可编程逻辑芯片、固定功能控制器、内存芯片、微处理器和微控制器等。

一个很重要的约束条件是：在实现系统支持多种不同信号的同时,最大程度地将电路板面积和系统复杂性减至最小。例如传感器只能提供强度仅在毫伏范围内的很小的模拟信号;可编程处理器使用的数字信号通常则在1.8～5.5 V范围内;系统控制的制动器很可能需要电压更高和电流更大的功率级,而其在本质上又属于模拟电路。多数电子系统都会使用类似于上述的多种不同信号,因此功能分割问题变得非常复杂。

以图1所示的典型的嵌入式系统为例,由传感器的输出提供的模拟信号,必须先经过A/D转换器、比较器和可编程增益放大器转换成数字信号,才能送给微控制器处理。微控制器的输出通常为数字信号,这些数字信号需要再经过D/A转换器或物理层芯片(PHY)转换回模拟信号,才能用来驱动模拟器件。除此之外,嵌入式系统的其他功能均为系统本身管理所需,包括温度传感器、电压参考、振荡器、电荷泵浦 (用来供给EEPROM组件烧录资料所需的高电压) 以及稳压器等,这些功能通常需要的都是模拟信号。

上面提到的诸多功能,包括由离散组件提供的所有常用模拟功能在内,都可以集成到一块MCU中,这就是混合信号MCU的本质特征。

体积更小 可靠性更高

图2是两种设计方案的比较。方案一使用了典型的微控制器和多个离散元件,包括可编程增益放大器、ADC、DAC、比较器、石英振荡器、参考电压、电阻和电容;方案二使用了混合信号微控制器,将方案一的所有功能都集成在了一个系统芯片上。从图中可看出,方案二的电路更小巧。这一点对许多应用非常重要,事实上,很多便携式应用首先考虑的因素就是要求电路所占空间小,方便携带,MP3就是个很好的例子。

高集成方案的另一个优点是可靠性高。嵌入式系统的可靠性问题主要来自于连接点,包括焊接点和连接线。连接点的数目越多,故障的可能性就越高。混合信号MCU则减少了元件数目和连接点,进而大幅提升了系统的可靠性。

功耗更低

单芯片混合信号MCU的另一个优点是功耗更低。对于市场上最低功耗的微控制器来说,如果将其应用在具有功耗很大的独立式ADC或其他大功耗模拟芯片的系统中,那么其低功耗的优势将化为乌有。相比之下,使用混合信号MCU时,只有一颗芯片需要电源供电,功耗大大降低。

噪声更小

就噪声的产生以及受噪声影响程度等系统噪声性能而言,采用混合信号MCU的系统优于使用多个模拟和数字芯片的系统。因为采用混合信号MCU不必将高速数字信号传送到独立式ADC或DAC,所以电磁幅射的强度会减少。另外,系统受噪声影响的程度也变得更小,因为可能受到噪声影响的元件数目变得更少。

系统成本更低

高集成度系统的总成本也相对较低。元件数目的减少,再加上单一的封装、晶粒和测试成本,这都是混合信号MCU方案的重要优势。其他方面的成本也会减少,例如软件和整体设计的复杂性都会降低,这将缩短产品的研发时间,精简研发成本,加速产品面市进程。

混合信号MCU设计面临的挑战

数字和模拟芯片传统上会使用不同类型的生产加工技术。对于微控制器和内存芯片之类的数字组件来说,主要选用CMOS技术。CMOS常用于全数字芯片,模拟组件通常则使用不同的加工技术,例如BiCMOS和双极加工。由于CMOS是业界成本最低的加工技术,混合信号组件的目标就是利用业界标准的CMOS加工技术把模拟和数字电路集成到一颗芯片上。这种IC设计挑战需要专门的知识和技巧,然而业界精通模拟设计的工程师却远少于数字设计人员,混合信号组件也没有标准的设计工具。

除此之外,许多微控制器面对高速数字总线时,内部模拟电路的效能就会下降,因此若要达成取代系统内多个元件的目标,真正的混合信号MCU至少要内建12位的ADC、DAC和振荡器。

混合信号MCU的研发制造是一项重大的挑战,包括很多棘手的技术问题,例如需要精通高度设计技巧的工程师,才能确保数字噪声不会导致模拟外围的工作效能下降。混合信号MCU的研发和生产都很困难,但它们也会带来极大好处,通过将高精确度的高速模拟外围以及数字控制电路集成在同一颗芯片上,混合信号MCU让设计人员可以跳过系统层级的模拟－数字整合问题。

从图3所示的混合信号MCU中可看到,芯片上的模拟电路并不如数字电路那么有“规则”;除了64K闪存方块右侧的电荷泵浦电路之外,RAM和闪存数组都是规则性的结构。此外,从图中还能明显看出：相对于中央处理器、连接器、定时器和UART等数字功能的闸海 (sea-of-gates) 结构,芯片内的两个12位DAC模块、8位ADC模块以及12位ADC模块是属于人工设计的架构。该芯片还包含许多其他模拟功能,例如取代外部振荡器和谐振电路的芯片内建振荡器、芯片内建温度传感器和支持可编程设定滞后值的两个比较器,它们可用于中断处理或是唤醒功能 (wake-up)。