利用混合信号MCU发挥设计潜能

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化，需要综合考虑系统效能化、功耗化、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，地将电路板面积和系统复杂性减至。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)。

结语

混合信号MCU为设计人员带来了成本更低、体积更小、速度更快、模拟功能更强大的解决方案，是工业和程序回授控制系统、移动电话基站、便携式和静态测试设备、智能型发射机和电子磅秤等应用领域的理想选择。