基于Multisim的锁相环解调系统仿真毕业设计

LANZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY毕业设计题 目 基于Multisim的锁相环解调系统仿真 学生姓名 学 号 专业班级 指导教师 学 院 计算机与通信学院 答辩日期 基于Multisim的锁相环解调系统仿真PLL Demodulation System Simulation Based on Multisim摘要实现调频波解调的方法有很多，而锁相环鉴频是利用现代锁相环技术来实现鉴频，具有工作稳定，失真小，信噪比高等优点，所以被广泛用在通信电路系统中。锁相环其原理是通过鉴相检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压，对振荡器输出信号的频率实施控制。该文首先介绍了锁相环技术发展的现状、方向以及背景，并对PLL的原理进行了阐述。在以上的基础上，分别设计了2ASK、2PSK、2FSK的调制解调电路，其功能为数字基带信号经过调制输出一个模拟信号，然后用锁相环进行解调，最后采用Multisim软件进行仿真。在对2ASK、2FSK、2PSK解调时，低通滤波器输出的波形失真比较大，不过最后经过抽样判决电路整形后可以再生数字基带脉冲。在整个电路设计中，力求要做到电路简单，并完成任务书提到的要求。关键词：调制；解调； Multisim；锁相环AbstrackThere are many ways to realize frequency wave demodulation, and PLL frequency which has the advantages of stable operation, small distortion, high signal-to-noise ratio and so on is achieved by using modern PLL frequency technology, so it is widely used in communication circuit system. Phase-locked loop through the difference of the phase detection of input signal and the output signal phase, and the detected phase difference signal into output voltage signal, the signal through a low pass filter. After the formation of the voltage control oscillator , the output signal of the oscillator frequency control.This paper first introduces the present situation, development direction, phase-locked loop technology as well as the background, and the principle of PLL is discussed. On the basis of the above, the modulation and demodulation circuit of 2ASK, 2PSK, 2FSK which function is a digital baseband signal is modulated by an analog signal and output were designed, and then useing the PLL demodulation, finally using Multisim software simulation. In the 2ASK, 2FSK, 2PSK demodulation, the output of the low pass filter waveform distortion is relatively large, but finally it can regenerate digital baseband pulse sampling decision circuit after shaping. In the circuit design, and strive to do a simple circuit, and complete the task book mentioned requirements.Keywords： modulate ；modulation ；PLL；Multisim目 录第1章 绪论11.1 研究背景11.2 研究现状11.3 研究内容介绍2第2章 基本原理32.1 Multisim介绍32.2 锁相环基本原理5锁相环的基本组成52.2.2 锁相环的工作原理5第3章 调制解调电路设计83.1 2FSK调制解调电路设计83.1.1 2FSK调制电路设计原理83.1.2 2FSK调制单元电路的设计93.1.3 2FSK解调单元电路的设计133.1.4 2FSK解调电路的整体设计153.2 2PSK调制解调电路设计173.2.1 2PSK调制解调电路设计原理173.2.2 2PSK调制与解调电路的设计与仿真183.3 2ASK调制解调电路设计193.3.1 2ASK调制解调电路设计原理193.3.2 2ASK调制与解调电路的设计与仿真203.4 解调结果分析22总结24参考文献25附录：(外文翻译)26致谢50第1章 绪论1.1 研究背景 实现调频波解调的方法有很多，而锁相环鉴频是利用现代锁相环技术来实现鉴频方法，具有工作稳定失真小，信噪比高等优点，所以被广泛用在通信电路系统中。锁相环路是一种反馈电路，锁相环的英文全称是Phase-Locked Loop，简称PLL。其作用是使得电路相位同步。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，它还具有载波跟踪特性。作为一个窄带跟踪滤波器，可提取淹没在噪声中的信号；用高稳定的参考振荡器锁定，可提供高稳定的频率源；可进行高精度的香味与频率测量等等。如今锁相环解调器在通信、雷达、测量和自动化控制等领域应用极为广泛，随着电子技术的发展，对锁相环解调的研究和应用得到了越来越多的关注。现在通过分析与研究，加深对锁相环解调方式的理解，并根据它的原理，设计出2FSK、2PSK、2ASK的调制电路，并通过锁相环解调出来。1.2 研究现状锁相环解调技术的发展十分迅速，如今已经在很多领域都应用了锁相环解调的理论。可用于 中、SDH网络中、在汽车MP3无线发射器中测量汽车转速都是十分典型的应用。调频波的特点是频率随调制信号幅度的变化而变化，压控振荡器的振荡频率取决于输入电压的幅度。当载波信号的频率与锁相环的固有振荡频率0相等时，压控振荡器输出信号的频率将保持0不变。若压控振荡器的输入信号除了有锁相环低通滤波器输出的信号uc外，还有调制信号ui，则压控振荡器输出信号的频率就是以0为中心，随调制信号幅度的变化而变化的调频波信号。当然，锁相环的许多优越性使得锁相环解调技术在很多我们周围都可以见到的物品中发挥着其巨大的功效。如今，锁相环路理论与研究日臻完善，应用范围遍及整个电子技术领域。随着通信及电子系统的飞速发展，促使集成锁相环和数字锁相环突飞猛进。现在品种齐全繁多，提高系统的工作稳定性和可靠性和小型化，目前仍朝着集成化，数字化，多用化方向迅速发展。1.3 研究内容介绍调制和解调电路是通信设备中重要组成部分。用待传输的低频信号去控制高频载波参数电路称为调制电路，解调是调制的逆过程，从高频已调信号中还原出原调制信号称为解调电路。该文主要建立了2ASK、2FSK、2PSK的调制解调电路。解调电路中使用了锁相环解调。锁相环路的输出信号频率可以精确地跟踪输入参考信号频率的变化,环路锁定后输入参考信号和输出参考信号之间的稳态相位误差可以通过增加环路增益被控制在所需数值范围内.这种输出信号频率随输入参考信号频率变化的特性称为锁相环的跟踪特性.利用此特性可以做载波跟踪型锁相环及调制跟踪型锁相环。为了实现信息的远距离传输，收信端接收到信号后必须进行解调才能恢复原信号。所谓的解调就是用携带信息的输出信号uo来还原载波信号ui的参数，载波信号的参数有幅度、频率和位相，所以，解调有调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）三种。调幅波的特点是频率与载波信号的频率相等，幅度随输入信号幅度的变化而变化；调频波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，频率随输入信号幅度的变化而变化；调相波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，相位随输入信号幅度的变化而变化。该文中调制出2FSK、2ASK、2PSK，调制时采用的是锁相环解调出来,最后用Multisim进行仿真出效果。在对2ASK、2FSK、2PSK解调时，低通滤波器输出的波形失真比较大，不过最后经过抽样判决电路整形后可以再生数字基带脉冲。第2章 基本原理 Multisim介绍随着电子技术和计算机技术的发展，电子产品已与计算机紧密相连，电子产品的智能化日益完善，电路的集成度越来越高，而产品的更新周期却越来越短。Multisim 10是加拿大 Interactive Image Technologies公司 2001 年推出的 Multisim 最新版本。可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及部分微机接口电路等。可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路。它有丰富的元件库，为用户提供元器件模型的扩充和技术；虚拟测试仪器仪表种类齐全，其操作方法与实际仪器十分相似；具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等 18 种电路分析方法，提供了多种输入输出接口，Multisim10可以与国内外流行的印刷电路板设计自动化软件Protel及电路仿真软件Pspice之间的文件接口，也能通过Windows 电路图送往文字处理系统中进行编辑排版，同时还支持VHDL和Verilog HDL语言的电路仿真与设计。Multisim 10 把所有的元件分成13类库，再加上放置分层模块、总线、登录网站共同组成元件工具栏。Multisim 10提供了18种仪表，仪表工具栏通常位于电路窗口的右边，也可以用鼠标将其拖至菜单的下方，呈水平状。Multisim 10具有以下特点:(1)Multisim 10是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。其元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到，因此可以很方便地在工程设计中使用。(2)Multisim 10 的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、信号发生器、双通道示波器、直流电源；还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图示仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真度测量仪、频谱分析仪和网络分析仪等。(3) Multisim 10 具有较详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等，以帮助设计人员分析电路的性能。(4) Multisim10可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及部分微机接口电路等。可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的过程中还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据。Multisim10是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。它用软件的方法模拟电子线路元器件和仪器仪表，实现了“软件即元器件”和“软件即仪器”。 Multisim10是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件，该软件为电子工程师提供了一个电路设计与仿真平台，不仅与国际著名的模拟电路仿真软件spice兼容，而且具有较强的 VHDL和 Verilog设计与仿真功能。它具有界面形象、直观易懂、采用图形方式创建电路的特点；它丰富的元件库中提供了超过16000个组件，全部采用世纪模型，确保了仿真结果的真实性和实用性；它采用开放式的库管理模式，能自动地生成模拟和数字组件模型，这对新器件的补充十分有利。Multisim10的虚拟测试仪器种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、信号发生器、双通道示波器、直流、交流电源；还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图示仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真度测试仪、频谱分析仪和网络分析仪等。Multisim10具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。Multisim10可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及微机接口电路等；可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的同时，软件还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数等。2.2 锁相环基本原理锁相环的基本组成许多电子设备要正常工作，通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步，利用锁相环路就可以实现这个目的。锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环（PLL）。锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。锁相环通常由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分组成，锁相环组成的原理框图如图所示。图2.1 锁相环基本组成锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压，对振荡器输出信号的频率实施控制。 锁相环的工作原理锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成，利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如图所示。图2.2 乘法器鉴相器的工作原理是：设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别为： （2-1） （2-2）式中的0为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率，称为电路的固有振荡角频率。则模拟乘法器的输出电压uD为： （2-3） （2-4） 用低通滤波器LF将上式中的和频分量滤掉，剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压。即为： （2-6） （2-7）式中的i为输入信号的瞬时振荡角频率，和分别为输入信号和输出信号的瞬时位相，根据相量的关系可得瞬时频率和瞬时位相的关系为：即 （2-9）则，瞬时相位差d为 （2-10） （2-11）对两边求微分，可得频差的关系式为 （2-12） 上式等于零，说明锁相环进入相位锁定的状态，此时输出和输入信号的频率和相位保持恒定不变的状态，为恒定值。当上式不等于零时，说明锁相环的相位还未锁定，输入信号和输出信号的频率不等，随时间而变化。因压控振荡器的压控特性如图所示，该特性说明压控振荡器的振荡频率u以0为中心，随输入信号电压的变化而变化。该特性的表达式为 （2-13） 图2.3 压控特性上式说明当随时间而变时，压控振荡器的振荡频率u也随时间而变，锁相环进入“频率牵引”，自动跟踪捕捉输入信号的频率，使锁相环进入锁定的状态，并保持0=i的状态不变。第3章 调制解调电路设计3.1 2FSK调制解调电路设计.1 2FSK调制电路设计原理2FSK即叫做二进制移频键控或二进制频移键控。2FSK信号产生的方法一般有两种：一种叫直接调频法，另一种叫频移键控法。（1）模拟调频法：即直接利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频而获得。如图3.1所示：图3.1 模拟调频法直接调频法是频移键控通信方式早期采用的实现方法。其优点是调制方便，设备简单，得出的是2FSK信号，相位连续。（2）键控法：即利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。如图3.2所示：图 3.2 键控法2FSK键控法的特点是转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现，故应用广泛，但设备要复杂些，得出的是2FSK信号，相位不连续。该文采用键控法产生2FSK信号，即用一个受基带脉冲控制的开关电路去选择两个独立频率源的振荡作为输出。设计原理图如图3.3所示: 图 3.3 2FSK调制原理图3.1.2 2FSK调制单元电路的设计要将时钟脉冲信号经过2FSK调制成为2FSK信号，我们采用一个受基带脉冲控制的开关电路去选择两个独立的频率源作为输出。键控法产生的2FSK信号频率稳定度可以做得很高并且没有过度频率，它的转换速度快，波形好。1）四双向模拟开关CD4066CD4066的引脚功能如图所示。每个封装内部有4个独立的模拟开关，每个模拟开关有输入、输出、控制三个端子，其中输入端和输出端可互换。当控制端加高电平时，开关导通；当控制端加低电平时开关截止。模拟开关导通时，导通电阻为几十欧姆；模拟开关截止时，呈现很高的阻抗，可以看成为开路。模拟开关可传输数字信号和模拟信号，可传输的模拟信号的上限频率为40MHz。各开关间的串扰很小，典型值为50dB。 四双向模拟开关CD4066输入的基带信号由转换开关分成两路，一路控制f1=32KHz的载频，另一路经倒相去控制f2=16KHz的载频。当基带信号为“1”时，模拟开关1打开，模拟开关2关闭，此时输出f1=32KHz，当基带信号为“0”时，模拟开关2开通。此时输出f2=16KHz，于是可在输出端得到2FSK已调信号。如图3.5所示:图 3.5 模拟开关2）变频电路变频电路是将输入的二进制数字基带信号通过控制载频转换成已调信号，即2FSK调制信号。两路载频分别经射随、LC选频、射随再送至模拟开关。其中LC选频电路函数： ，选频网络如图3.6所示：图3.6 变频电路图3）2FSK调制的整体电路图的设计图3.7 2FSK的Multisim调制仿真电路图4）2FSK调制电路的仿真图3.8 脉冲信号输出波形图3.9 变频电路输出波形图3.10 2FSK的仿真效果图3.1.3 2FSK解调单元电路的设计锁相环通常由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分组成，该文锁相环解调原理框图如图3.11所示。 1 2FSK解调原理框图 12所示：2 乘法器3所示：用低通滤波器LF将和频分量滤掉，剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压uC（t）。3 环路滤波器 34所示，该特性说明压控振荡器的振荡频率u以0为中心，随输入信号电压uc（t）的变化而变化。该特性的表达式为 （3-1）4 压控特性上式说明当uc（t）随时间而变时，压控振荡器的振荡频率u也随时间而变，锁相环进入“频率牵引”，自动跟踪捕捉输入信号的频率，使锁相环进入锁定的状态，并保持0=i5所示：5压控振荡器4）抽样判决电路（LM311）工作原理：LM311是当2脚电压高于3脚电压时输出高电平，反之则输出低电平。引脚功能如下。1脚 GROUND/GND 接地2脚 INPUT+ 正向输入端3脚 INPUT- 反相输入端7脚 OUTPUT 输出端5脚 BALANCE 平衡6脚 BALANCE/STROBE 平衡/选通8脚 V+ 电源+4脚 V- 电源- 图3.16 LM311引脚图 7 抽样判决电路图 2FSK解调电路的整体设计2FSK解调电路的设计是采用锁相环进行解调，2FSK信号通过锁相环最终解调出数字基带信号。2FSK基于Multisim8所示：8 2FSK的Multisim的解调仿真电路9 2FSK的Multisim解调电路的仿真3.2 2PSK调制解调电路设计 2PSK调制解调电路设计原理PSK分为二进制相位键控（2PSK）和多进制相位键控（MPSK）。该文主要介绍2PSK的调制与解调。在二进制数字调制中,当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时,则产生二进制移相键控(2PSK)信号。通常用已调信号载波的 0和 180分别表示二进制数字基带信号的 1 和 0。二进制移相键控信号的调制原理图如下所示。其中图3.20是采用模拟调频的方法产生2PSK信号,图3.21是采用数字键控的方法产生2PSK信号.本设计调制2PSK时采用的是键控法。图 3.20模拟调频法图3.21 键控法2PSK信号的解调通常都是采用相干解调, 该文的解调器原理图如图 2 与2FSK解调原理相同。图22PSK解调原理框图3.2.2 2PSK调制与解调电路的设计与仿真2PSK调制电路采用键控法调制，而解调电路的设计是采用锁相环进行解调，2PSK信号通过锁相环最终解调出数字基带信号。2PSK基于multisim3所示：图3 2PSK调制解调电路图2PSK调制仿真图与解调后的4。图4 2PSK调制解调电路图仿真结果3.3 2ASK调制解调电路设计 2ASK调制解调电路设计原理在二进制数字振幅调制中，载波的幅度随着调制信号的变化而变化，实现这种调制的方式有两种：（1）模拟相乘法：通过相乘器直接将载波和数字信号相乘得到输出信号，这种直接利用二进制数字信号的振幅来调制正弦载波的方式称为模拟相乘法，其电路如图5所示。在该电路中载波信号和二进制数字信号同时输入到相乘器中完成调制。6所示。5模拟相乘法 6数字键控法2ASK/OOK信号有两种基本的解调方法：非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法），相应的接收系统如图7、图8所示。7非相干解调方式8相干解调方式该文2ASK的调制方法采用的是模拟相乘法，而调制则采用的是相干解调。该文的2ASK9如下：9 2ASK解调原理框图 2ASK调制与解调电路的设计与仿真2ASK调制电路采用键控法调制，而解调电路的设计是采用锁相环进行解调，2ASK信号通过锁相环最终解调出数字基带信号。2ASK基于Multisim仿真的调制解调电路的整体电路设计图如图3.30所示：图3.30 2ASK调制解调电路图图3.31 2ASK调制解调仿真图3.4 解调结果分析由于在解调2ASK、2FSK、2PSK时的数字基带信号都为1KHZ,而在解调时压控震荡器的中心频率都为1KHZ，所以该文中三个信号的解调电路都是一样的。锁相环鉴频电路环路输入频率跟随输出频率变化，即跟踪，实现环路锁定困难，会出现毛刺。低通滤波器输出的波形失真比较大，不过最后经过抽样判决电路整形后可以很好的解调出数字基带脉冲。在解调设计选取参数时，发现低通滤波器中C2的值最影响波形的输出，以2FSK解调为例，一开始我在C22： 图2 C2=10nF时的波形3：图3.33 C2=100nF时的波形总结该文分别设计了2ASK、2PSK、2FSK的调制解调电路，其功能为数字基带信号经过调制输出一个模拟信号，然后用锁相环进行解调，最后采用Multisim软件进行仿真。在对2ASK、2FSK、2PSK解调时，低通滤波器输出的波形失真比较大，不过最后经过抽样判决电路整形后可以再生数字基带脉冲。经过一个学期的时间，终于完成这次基于Multisim的锁相解调系统设计的毕业设计任务。我首先查阅了大量的书本资料，接着又上网搜集了许多有用信息，有时候为了找到一个合适的电路而苦恼，有时候又为取得一点成功而由衷的高兴。当最终的电路方案设计出来以后，我请教了我的指导老师何老师及学的比较好的同学，他们的一个小小指点就给我们很大启示和灵感，对我的电路图提出了很多有价值的建议，在此对热心帮助我的老师和同学表示衷心感谢。在此次毕业设计中，我充分体会到了熟练运用相关软件的重要性，不像以前做的课程设计，并没有多少工作在计算机里实现的，就仅仅画出了电路图之后用元器件在面包板上搭电路就行了。本次毕业设计都高度依赖计算机，从仿真到绘制原理图，再到参数调节，可以说每一步都很艰难，每一步都是我一步一个脚印结结实实踩下去的。通过毕业设计，我增强了对通信电子技术的理解，学会查寻资料比较方案，学会通信电路的设计计算；进一步提高分析解决实际问题的能力，创造一个动脑动手独立开展电路实验的机会，锻炼分析解决通信电子电路问题的实际本领，真正实现由课本知识向实际能力的转化；通过典型电路的设计与仿真加深对基本原理的了解，增强了实践能力。参考文献1 熊伟 候传教. Multisim7电路设计及仿真应用M. 清华大学出版社，20052 阳昌汉. 高频电子线路M. 高等教育出版社，20063 吴运昌. 模拟集成电路原理与应用M. 华南理工大学出版社，20004 沈伟慈. 通信电路M. 西安电子科技大学出版社，20045 李争. ，20076 郑继禹, 张厥盛, 万心平. 锁相环原理与应用M. 人民邮电出版社，19847 Floyd M.Gardner,Phase lock Techniques(Second Edition),Publication:New York,John Wiley,1979.8 t,Phase-locked Loops Design,Simulation and Application,清华大学出版社，20039 张辉，曹丽娜. 现代通信原理与技术M. 西安电子科技大学出版社，200210郑继禹, 张厥盛, 万心平. 锁相技术M. 西安电子科技大学出版社，199411 谢自美.电子线路综合设计.华中科技大学出版社12 Best,Roland E.,PhaseLooked Loop Theory,Design and Applications McGRAWHill,198413 沈伟慈.通信电路.西安电子科技大学出版社，2004附录：(外文翻译)Bridging the Gap between the Analog and Digital WorldsMost applications require the co-existence of analog and digital functionality, and the benefits of combining this functionality on a single chip are significant. Such mixed-signal integration, however, also presents significant challenges. Furthermore, digital and analog developments tend to evolve at differing rates, yet mixed-signal solutions for markets such as industrial, automotive and medical, must remain available over significant time periods. The latest mixed-signal semiconductor processes are helping to address some of these issues, and this article will look at some of the issues designers should consider when specifying integrated mixed-signal solutions.Mixed-signal solution for the real worldSystem designers often partition the digital portion from the analog section of a given design for a variety of reasons: the availability of mixing components for the two technologies, the complexity of the digital design or again because of the existence of pure digital processing parts as standard products. Placing the analog elements in an integrated circuit definitively allows the system designer to optimize the costs of its entire module. This integration approach is usually difficult for advanced markets such as telecommunications or computers, but makes sense for more mature or conservative markets such as automotive, medical and industrial. For most of these mature markets applications, digital functions are finding their way onto what once were pure analog designs. Adding digital functions to an analog design is helped in part by the development of new process technologies that can handle both short-channel, fast-switching digital transistors as well as high-voltage analog transistors. For example, AMI Semiconductors latest mixed-signal technology offers digital and analog integration capabilities on the same design platform. The I3T technology family is based on standard CMOS 0.35m, limiting the maximum gate voltage to 3.3V. Some consider this technology outdated, from a pure digital designers point of view, but it is at the forefront for the automotive, industrial and medical markets.This list of optional features that enables the design of real SoCs includes high voltage interfacing up to 80V, microprocessing capabilities up to 32 bits, wireless capabilities up to 2.8GHz, and dense logic design up to 15K gates/mm2. Beside these capabilities, NVM integration is possible: E2PROM up to 4 Kbytes, Flash memory up to half a megabit or On-Time-Programmable (OTP) cells for application calibrations. The ability to integrate all these features on a chip gives the customer the possibility to be independent from the obsolescence of the stand-alone NVM market, which is more or less driven by the computer market. This advantage is quite relevant when we consider the cost of re-qualifying a module for the OEMs in automotive, for instance. It also makes sense when considering the long lifespan of the applications embedded into cars, the industrial environment or medical self-treatment devices where patient cost is an important consideration.Nevertheless bridging the gap from digital to analog on a single chip does not occur without issues. Clocking noise from high-speed digital circuits, for instance, often interferes with noise-sensitive analog functions. In addition, switching currents from high-power analog functions can interfere with low-voltage digital processors. The goal is to protect low-voltage transistors from the electric field effects of voltages that are 10 to 30 times higher.These important issues are not without solutions. For example, one of the latest releases in the I3T family, the I3T50 DTI, uses a deep trench isolation technique. This technique uses a series of isolating trenches that bury deep into the IC substrate; effectively creating on-chip “pockets” where noise and power supply parameters are carefully controlled.On top of its protection skills, the deep trench technology also helps to minimize die area by allowing dense packing of high-voltage analog pockets with low-voltage regions. You can obtain improvements in die area of 10 to 60 percent over designs that use standard junction isolation techniques.As mentioned earlier, the reason that system designers are using deep sub-micron technologies in those markets is often linked to the availability of devices in those technologies, not the complexity of the application itself. The complexity can be handled in many cases by an 8-bit microcontroller, or 32-bit for high-end applications. Products such as the 0.35m I3T are able to manage the integration at a reasonable cost. A typical application diagram of a real mixed-signal SoC is shown in Figure 1.9.Figure 1.9 Mixed-signal SoC diagramBasically, the chip integrates the system functionality from the sensor to the actuator, going through some digital processing. Conventional mixed-signal technology allows analog control and signal processing functions such as amplifiers, analog-to-digital converters (ADCs) and filters to be combined with digital functionality such as microcontrollers, memory, timers and logic control functions on a single, customized chip. All signals that process an algorithm or arithmetic calculation are digital, so conversion of analog to digital signals is mandatory when submitting data for comparison or processing by via a microcontroller, while conversion from digital output signals to analog high-voltage signals is required to drive an actuator or a load. The most recent mixed-signal technology AMIS developed, significantly simplifies the implementation of such driver functionality by allowing much higher voltage functionality to be integrated into an IC alongside the relatively low voltages required for conventional mixed-signal functions. This high-voltage mixed-signal technology is particularly relevant to automotive electronics applications where higher voltage outputs to drive a motor or actuate a relay need to be combined with analog signal conditioning functions and complex digital processing.A growing trend in mixed-signal circuit design is to add some type of central processing circuit to the analog circuits. For many applications the suitable choice of processing intelligence is an 8-bit microcontroller core such as an 8051 or 6502. 8 bits remains the most popular choice as this type of SoC is not intended to replace complex high-end central microcontrollers but more decentralized or slave applications such as sensor conditioning circuitry with local (as close to the sensor as possible) simple intelligence to control relays or motors. An automotive example would be the lateral actuation of a cars headlamps when the steering wheel is turned to improve the drivers safety and improve field of vision. The sensor input would come from the steering angle via a serial link (most of the time with a LIN or I2C protocol) and the SoC would be close to the motor with an on-board set of algorithms to command the motors movement.For higher end applications that require more calculation power, the move to ARM processors is possible. This creates a high-end solution (up to date for the mature markets) which could last over the applications lifespan because the microcontroller would be a small part of an integrated circuit that emulates the modules functionalities.In order to understand how larger geometries can be better suited for some mixed-signal applications, one needs to understand