模擬和混合信號(hào)半導(dǎo)體的市場將在未來幾年中迎來重大演變。在物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things， IoT）中，數(shù)以億計(jì)的物體（無論智能與否）將變得支持IP并相互連接，這將為各式各樣的設(shè)備與系統(tǒng)提供大量機(jī)遇，使它們能夠感應(yīng)、控制、驅(qū)動(dòng)我們居住的物理世界和完全模擬的世界并與之通信。

　　在整個(gè)電子行業(yè)中，另一個(gè)最突出的重要趨勢(shì)是交付各種能夠在系統(tǒng)級(jí)別上降低功耗，并提高能效的解決方案。數(shù)字處理技術(shù)攻入模擬芯片設(shè)計(jì)的深?yuàn)W領(lǐng)域能否為這些戰(zhàn)略性趨勢(shì)一一提供解答？

　　模擬設(shè)計(jì)顯然是眾所周知的黑魔法，將它與數(shù)字技術(shù)融合是高級(jí)混合信號(hào)設(shè)計(jì)中一個(gè)高度復(fù)雜的過程。雖然存有爭議，但它在最近已變得愈加簡單。簡化并加速開發(fā)流程的一個(gè)重要因素是混合信號(hào)設(shè)計(jì)流程復(fù)雜度的提升，并且 EDA 工具現(xiàn)在允許工程師在混合信號(hào)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)和仿真模擬與數(shù)字信號(hào)，同時(shí)運(yùn)行C代碼。

　　在過去，模擬和數(shù)字電路在設(shè)計(jì)和仿真方面始終存在不同程度的分離；而當(dāng)在單個(gè)芯片中同時(shí)采用數(shù)字和模擬電路時(shí)，往往不能第一次就能實(shí)現(xiàn)正常工作。然而，因?yàn)樾滦透呒?jí)設(shè)計(jì)工具，這一流程現(xiàn)在逐漸變得幾乎可以在瞬間完成，而不是要在開發(fā)中額外花費(fèi)幾個(gè)星期的時(shí)間。而且，隨著越來越多的商用模擬 IP 和數(shù)字庫加入到這一混合陣營中，任何模擬或混合信號(hào)芯片供應(yīng)商能夠以幾年前無法實(shí)現(xiàn)的方式，更輕松、更快得地開發(fā)出快速高效的設(shè)計(jì)；對(duì)于在這一領(lǐng)域中沒有豐富經(jīng)驗(yàn)的人員來說無疑也是如此。

　　嵌入處理功能

　　設(shè)計(jì)流程中的這些高級(jí)功能讓人們可以越來越輕松地將數(shù)字處理器嵌入到模擬或混合信號(hào)設(shè)計(jì)中。例如，在設(shè)計(jì)中加入 32 位 Cortex-M0 處理器不會(huì)增加設(shè)計(jì)難度。該核心可以僅使用 12，000 個(gè)邏輯門實(shí)現(xiàn)，這一大小與周圍模擬電路相比幾乎可以忽略，因?yàn)楹笳叽笮缀跏瞧涫丁Ｒ虼耍酒娣e增加帶來的額外成本相應(yīng)也是較低的。

　　同時(shí)，數(shù)字子系統(tǒng)的加入大大提高了人們測試設(shè)備的能力—這一大優(yōu)點(diǎn)目前還未被完全認(rèn)識(shí)到。數(shù)字處理器變?yōu)橐粋€(gè)靈活的引擎，可用于在混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC） 中執(zhí)行所有形式的片上測試和校準(zhǔn)，讓模擬電子的驗(yàn)證變得更加簡單。另一大優(yōu)勢(shì)是系統(tǒng)集成度的增加，因而降低了終端系統(tǒng)的總體成本。客戶設(shè)計(jì)中很有可能已經(jīng)將獨(dú)立的微控制器與模擬或混合信號(hào)芯片一同使用。模擬芯片供應(yīng)商現(xiàn)在處于更好的位置，去提供更高程度的集成。

　　當(dāng)然，這也許不會(huì)發(fā)生。例如，一些供應(yīng)商可能希望將數(shù)字處理器用于片上測試功能，而不一定會(huì)開放給客戶，供他們進(jìn)行進(jìn)一步的功能開發(fā)。但總體上，對(duì)于模擬芯片供應(yīng)商而言，這是非常明了的價(jià)值主張。而且，在另一方面，領(lǐng)先的數(shù)字供應(yīng)商正在努力利用模擬組件增強(qiáng)其數(shù)字處理產(chǎn)品組合。

　　提高能效

　　雖然這種新一代混合信號(hào)設(shè)備具備滿足物聯(lián)網(wǎng)要求的能力，需要特別注意的是，嵌入數(shù)字處理器將顯著提升系統(tǒng)的效率和總體性能，從而大大節(jié)省功耗。

　　那么，數(shù)字技術(shù)可以做些什么來增強(qiáng)模擬組件的能力，從而改善系統(tǒng)功耗？一個(gè)具體且非常重要的例子就是電機(jī)控制，其中的電力電子元件和模擬組件顯然都至關(guān)重要。數(shù)字處理器可以顯著改善對(duì)電機(jī)速度和/或旋轉(zhuǎn)的管理，有可能節(jié)省大約 40% 的功耗。而本例中所說的電機(jī)是工業(yè)應(yīng)用中的大型設(shè)備，并不一定是玩具等低成本消費(fèi)型產(chǎn)品中的電機(jī)。數(shù)字元件不會(huì)取代模擬元件或剔除掉模擬元件中的任何元素 - 它僅僅實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，提高總體系統(tǒng)的質(zhì)量。

　　所以，借助這些高級(jí)功能，再加上集成潛力的增長和片上功能水平的提高，加入小巧而強(qiáng)大的數(shù)字處理器核心的投資回報(bào)將非常快速。

　　所有這一切的有力證據(jù)就是，嵌入數(shù)字處理功能的模擬和混合信號(hào)設(shè)備正在向市場挺進(jìn)。其中一個(gè)例子是來自 Analog Devices 的一款混合信號(hào)處理器。ADSP-CMX40X擁有一個(gè) Cortex-M4 處理器，可以使電機(jī)驅(qū)動(dòng)開發(fā)人員在硅晶片中加入更多功能。該設(shè)備尤其面向工業(yè)市場中的節(jié)能型應(yīng)用，可在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、光伏逆變器和閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的電機(jī)控制。第二個(gè)例子是 Infineon 的 XMC4000 系列，其中也嵌入了 Cortex-M4 處理器。此產(chǎn)品系列同樣致力于改善工業(yè)應(yīng)用中的能效。第三個(gè)例子是 Dialog Semiconductor 最近獲得了 Cortex-M0 處理器的授權(quán)許可，該公司計(jì)劃將它作為控制器用在一系列電源管理器件中，實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)或平板電腦中的電源控制和電池管理功能。

　　未來

　　不出幾年，絕大多數(shù)（至少很高比例）的模擬和混合信號(hào)芯片設(shè)計(jì)中將通過集成高性能數(shù)字處理子系統(tǒng)來進(jìn)行控制和管理。這也將使得開發(fā)人員能夠在其中加入自己的軟件代碼。

　　主要應(yīng)用很有可能在于電機(jī)控制和電力電子元件，而現(xiàn)在此類應(yīng)用大部分都基本上是“低能”的。為它們賦予數(shù)字智能，在電機(jī)上就有可能節(jié)省大量能源。根據(jù)最近的一個(gè)推斷，電動(dòng)機(jī)估計(jì)消耗全世界 40% 的電能，而其中大部分是工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。因此，對(duì)模擬世界施于一點(diǎn)數(shù)字療法可以大幅削減電能消耗，帶來顯著的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

　　在未來幾年中，隨著物聯(lián)網(wǎng)成為更大的現(xiàn)實(shí)以及功耗降低需求的增高，下一代復(fù)雜模擬和混合信號(hào)電路的模型很有可能是將“模擬在外”（用于感應(yīng)和驅(qū)動(dòng)）和“數(shù)字在內(nèi)”（控制、決策和通信）融合在一起。

　　一款高度集成和數(shù)字控制的模擬 SoC，無論其來自模擬還是數(shù)字半導(dǎo)體供應(yīng)商，只要有可能節(jié)省 40% 的工業(yè)電機(jī)能耗，都將是極受關(guān)注的技術(shù)，在不久的將來必定會(huì)有旺盛的需求。

——本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)2月《可穿戴技術(shù)特刊》“Change the world”欄目，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，違者必究！