Mixed-Signal ASIC

 

Mixed-Signal ASIC(혼합 신호 응용특화형 집적회로)는 디지털 회로와 아날로그 회로를 하나의 칩 내에 통합 설계하여 고속 통신, 센서 인터페이스, 양자통신, LiDAR, 생체신호 처리 등 정밀도와 디지털 연산이 동시에 필요한 분야에서 필수적으로 사용됩니다.

다음은 Mixed-Signal ASIC의 실제 구현 방법 및 대표적인 구현 예시를 전문가 관점에서 기술 중심으로 설명한 내용입니다.

---

✅ 1. Mixed-Signal ASIC의 정의 및 필요성

구분 설명

정의	아날로그 회로(ADC, DAC, PLL 등)와 디지털 회로(MCU, DSP, 제어 FSM 등)를 하나의 칩에 통합한 ASIC
필요성	센서 인터페이스, 아날로그 신호 처리 후 디지털 연산/제어까지 연속 처리 필요
응용 분야	양자통신 송신기, ToF/이미지 센서, 바이오센서, RF 송수신기, 산업용 계측기 등

---

✅ 2. Mixed-Signal ASIC 설계 방법론

🔷 1) 아키텍처 정의 단계

• 기능 블록 분류:
  • 아날로그: ADC, DAC, PLL, LDO, TIA, VCSEL Driver 등
  • 디지털: SPI/UART/I2C, 컨트롤 FSM, LUT, 보정 알고리즘 등
• 사양 정의: 속도, 전력, 해상도, 동작 온도 범위 등
• Partition 결정: 어느 부분을 풀커스텀, 어느 부분을 셀 기반으로 구현할지 결정

---

🔷 2) 설계 구성 및 인터페이스 정리

구분 설계 방식 설명

아날로그 블록	풀커스텀	성능 최적화 (TDC, PLL, VCSEL Driver 등)
디지털 로직	Standard Cell 기반	제어 FSM, LUT, 인터페이스
Mixed Interface	Level Shifter, Clock Domain Crossing (CDC)	아날로그↔디지털 연동용

---

🔷 3) 구현 단계 (툴 플로우 예)

[Digital Block]             [Analog Block]
- RTL 설계 (Verilog)        - 풀커스텀 회로 (schematic)
- Synthesis (DC)            - 아날로그 시뮬레이션 (Spectre, Eldo)
- PnR (Innovus)             - 레이아웃 직접 설계 (Virtuoso)
- Timing Closure            - LVS, DRC, Parasitic Extraction
        │                          │
        └──▶ Mixed-Signal Top Integration (Virtuoso Layout)

---

✅ 3. 실제 구현 예시

🧠 [사례 1] 양자통신 송신기용 Mixed-Signal ASIC (65nm)

구성 블록 설명

VCSEL Driver	DAC 기반 풀커스텀 회로, ns 단위 펄스 제어
PLL + Divider	1GHz 기준 트리거 생성, Spread Spectrum 가능
DAC (10~14bit)	광출력 세기/위상 조절용
ADC (12bit)	온도센서 피드백용
TDC (50ps)	트리거 정렬 및 간섭계 보정
디지털 FSM	QKD 프로토콜 순서 제어, SPI 설정
인터페이스	SPI Master/Slave, 테스트용 JTAG
패키지	QFN 48pin, 5mm x 5mm

✅ 특징:

• 내부에서 온도 보정 루프 자동 동작
• SPI를 통해 외부 설정 가능
• ±0.5ns 이내 타이밍 정밀도 달성

---

🌐 [사례 2] Time-of-Flight LiDAR용 ASIC (180nm)

구성 블록 설명

VCSEL Driver	고전류 구동용 풀커스텀 설계 (20mA 이상)
Ramp ADC (10bit)	거리 계산용 시간차 전압 검출
TDC + Delay Line	거리 계산 보조
LDO + Temp Sensor	회로 안정성 및 온도 보정
디지털 제어 FSM	펄스 타이밍 및 거리 LUT 연산
UART, GPIO	MCU 연동 인터페이스

✅ 특징:

• 거리 정밀도: ±2cm
• 칩 내부 온도 보정 적용 시 ±1cm로 향상

---

🔬 [사례 3] 바이오센서용 Mixed-Signal ASIC

구성 블록 설명

AFE (Analog Front-End)	전류-전압 변환기 (TIA), 저잡음 설계
ΣΔ ADC (16bit)	저속 고정밀 측정용
DC Bias DAC (12bit)	바이오칩 구동 전압 인가
디지털 로직	필터링, 평균값 계산, BLE 연동
온도 센서	측정 환경 보정

✅ 특징:

• 측정 해상도: < 5µV
• 동작 전류: < 300µA (ultra low power)

---

✅ 4. Mixed-Signal ASIC 설계 시 주의사항

항목 설명

전원 분리	Analog / Digital 전원 간 cross-talk 방지
클럭 도메인 분리	CDC 설계 필요 (아날로그 클럭 ↔ 디지털 클럭)
Ground Planning	Analog GND / Digital GND 구분 필수
LVS/DRC/PEX 통합	Full-chip level에서 아날로그-디지털 연결 정확성 검증
테스트핀 확보	Post-Silicon 디버깅을 위한 아날로그 모니터 포인트 삽입

---

✅ 요약: Mixed-Signal ASIC은 이런 경우에 필수

상황 설명

아날로그 신호 + 디지털 연산이 필요	센서 + DSP, 레이저 + 트리거 제어 등
고속 펄스/위상/거리 정밀 제어	VCSEL, ToF, PLL, TDC
소형화 + 저전력	배터리 장치, 위성 모듈, 의료기기
센서 인터페이스 고집적화	바이오/산업용 센서 연동 시스템

---

필요하시면:

• 상용 Mixed-Signal ASIC IP 목록
• 65nm 기반 테스트칩 Tape-out 전략
• Post-silicon Validation 체크리스트 등도 제공 가능합니다. 원하시면 말씀해 주세요.