类比IC可以将声音、动作与影像等实际的物理资讯转成数位格式，这种方法对於消费性电子产品、自动驾驶汽车、物联网以及一些其他新兴市场的关键应用而言日益重要。

混合讯号应用广泛

混合信号IC是在一个晶片上同时包含类比和数位电路的整合电路。类比信号是一种连续的时变信号，而数位信号则是一种非连续的信号，它只取有限数量的值。混合信号IC使用这两种类型的信号，通常可用於各种应用或者ASIC上。

我们进一步来看类比信号，类比电路设计的组成部分是运算放大器，它是一种高增益的放大器。运算放大器可以接收一个连续信号，并输出另一个更高值的连续信号。运算放大器也可以用来做为比较器，这是一种用於比较两个输入电压，并输出一个二进位信号来分辨两者的电路设计。由於比较器的输出是数位形式的，因此这是混合信号电路的一个示例。

接着来看看数位信号。由於类比信号是连续的，而数字信号是离散的，这意味着它们具有有限数量的数值。我们可以将其想像为方波，其中信号在两个数值之间逐步交替，在理想情况下这是瞬时交替的。或者也可以将之想像为二进位信号，它可以有两个可能的结果，例如0或1，或者关与开，这种应用通常是类似逻辑开关，例如是与非，或者触发器中。

混合信号IC的两个最明显使用情境，就是类比数位转换器（ADC）与数位类比转换器（DAC）。由於这些应用中，需要频繁将类比信号转换为数位信号，或者将数位信号转换为类比信号，因此它们必须包含两者的电路特徵。

在今天，混合型的电路通常由来自不同领域的元素所组成。还有各种SoC和系统级封装（SiP）技术，它们往往包括单一IC上的不同每个IC设计领域，也包含各种半导体制程技术与封装能力。

图一 : 混合讯号示波器可以提供测量类比和数位混合讯号的能力，有些还包括可在频域中进行射频测量的内建频谱分析仪。（source：tektronix.com）

在现今的应用中，越来越多高复杂度的无线通信和感测晶片，例如汽车雷达，在单一设备上就必须执行包括感测、运算、转换、数位操作、储存、决策和通信等功能。这些混合信号设计通常涉及多个不同团队，他们必须使用某种统一的EDA工具，以确保设计的每个层面都能遵循流程的规范。由於这些设计上的优化相对较不容易，主要是因为这些SoC制程技术通常难以满足类比与射频的性能标准，因此这一点变得越来越重要。

混合讯号设计挑战

IC设计人员在进行调试混合类比和数位串列汇流排设计的时候，通常会遇到不同类型的测量问题。举例来说，设计师可能需要调试串列汇流排协定的行为，也可能需要透过某种现成的串列协定，来实现子系统或元件间的通信与协调工作，才能完成整体设计。就前者来说，设计人员通常会使用示波器来调试协议的实体层，并测量上升与下降时间、建立并保持时间叁数，以及分析系统中时脉和资料线上的信号电平。就後者来说，设计人员可能会查找系统中功能和整合上的问题，有时候还需要分析相关时序和汇流排上的数据内容。

一般来说，使用传统方法来调试串列汇流排设计，是一个巨大的挑战。调试这些系统的一般方法，是使用逻辑分析仪与示波器。不过，由於资料是逐一读出位元资讯，因此并非所有的数据资料都可以叁考，这导致在所关注的串列汇流排上进行触发将会很困难。在过去，透过逻辑分析仪调试平行汇流排时，可以透过设置码型触发或状态触发，来直接找到所关注的细节。然而，要根据长串列资料流程中的内容，来设置逻辑分析仪的触发则是另一个困难之处。因为要在串行协定中的码型上触发逻辑分析仪，就必须创建一个状态机，才能在协定中寻找需要关注的码流和帧信号。只不过大多数逻辑分析仪的状态仅有16级，因此难以满足查找长资料流程的要求。

要解决这样的问题，必须使用繁琐的测量装置来解决，但这可能会带给使用者非常大的困扰。而且如果设计人员还需要在系统上进行叁数测量的话，那麽将逻辑分析仪与示波器相互关联将会耗去更多时间。而且要这麽做，两种仪器上都必需要有非常深的记忆体容量，才能观察长串列资料的流程。由於每种IC设计都必须有严格的进度计划与项目完成日期，因此一般设计人员都认为在调试串列汇流排的相关设计时，需要有更好的技术和测量仪器，才能进行这种棘手的混合讯号测试。

MSO的重要性

图二 : MSO可精确显示类比与数位讯号并进行比较。（source：tektronix.com）

混合讯号示波器（MSO）是一种数位储存示波器，它的主要作用在於显示并比较类比讯号和数位讯号，特色是在於具备用於类比讯号和数位讯号的输入通道。类比讯号可以显示随着时间变化的电压等级。传统上，都是透过示波器来测量这些电压对时间的波形。讯号可以直接连接到示波器的类比输入通道，也可以透过示波器的探棒连接。

而相对的，数位通道则是用於测量逻辑值（例如0或1）。讯号代表0或1，是根据使用者所设定的临界值来加以决定。传统上，是使用逻辑分析仪来测量数位逻辑讯号，但有许多工作则是采用混合讯号示波器将会更为方便。混合讯号示波器可以提供逻辑分析仪的许多基本功能，例如数位时序分析等。

在混合讯号示波器上，来自类比输入通道的连续可变类比波形，以及来自数位输入通道的数位或逻辑波形，都能精确地显示在通用的时间刻度上，方便设计人员进行两者的比较。

也因此，混合讯号示波器可以提供测量类比和数位混合讯号的能力，有些还包括可在频域中进行射频（RF）测量的内建频谱分析仪。在使用到数位电路跟类比电路的使用案例中，混合讯号IC经常被设计用於特定用途，但也可能是多用途的标准元件。而且混合讯号IC的设计，通常需要非常高度的专业，并细心的使用EDA工具。晶片完成品的自动化测试，也比一般IC还更具有挑战性。

结语

随着新的物联网应用、无线通信标准例如Wi-Fi、5G、LoRa等，和复杂感测技术，都导致混合信号IC越来越复杂，除了EDA工具和晶圆代工制程也在不断进步，而测试技术也必须更为精进，才能满足这些新的应用需求。