模拟电路和数字电路的区别是什么?

当电压大大降低时，噪声在较旧的节点上就成为一个严重的问题，这对于电池供电的设备来说是一个严重的问题。

电池供电的边缘设备需要节省每千微微焦耳的能量，这通常意味着在非常低的电压下运行，这通常会产生在最新技术节点上常见的信号和电源完整性问题。但是，由于这些设备往往是体积较小，成本较低的设备，因此开发人员通常无法负担对这些设备进行相同级别的分析。

噪声可以多种形式出现，有些是静态的，有些是动态的。

静态噪声可能是由于过程变化等原因引起的。“变化是一个大问题，” Movellus总裁兼首席执行官Mo Faisal说。“如果您的芯片正在接近阈值运行，则从慢速转角到快速的变化不再是2或3倍。最多可能达到20次。”

动态噪声来自热散粒噪声，干扰，不完善的电源以及许多其他来源。“低电压设计并不一定更容易受到影响。Cadence多物理系统分析产品管理小组主管Brad Griffin表示：“它们容易受到噪声的影响，很可能导致产品失效。” “如果电压摆幅为5伏，您就有很大的噪声余量。但是，如果电压摆幅为0.8伏，您将没有那么多的裕量。”

模拟电路比数字电路更容易受到噪声的影响。“对我们来说，最大的挑战是围绕模拟技术，尤其是与无线接口相关的模拟技术，” Imagination Technologies产品管理高级总监Richard Edgar说。“显然，我们在功率泄漏方面面临挑战，此外，电路中的的电感器非常容易对设计的其他部分造成干扰。与数字技术相比，我们最终没有看到模拟技术的大幅减少。在40nm左右，我们在模拟电路上可以实现的缩小受到了模拟电路周围的干扰受到了限制。”

这些设备尽管仍远远落后于手机或高性能应用程序中的设备，但仍在积极地推向更小的节点。Movellus的Faisal说：“在较新的节点中，有些事情要糟糕得多。” “其中之一是闪烁噪声，这对模拟设计师而言非常重要，尤其是在设计放大器或高灵敏度电路时。闪烁噪声带宽与几何形状成反比增长。过去，您只需要担心较旧节点上的几兆赫兹以上的频率，而如今，您必须担心20MHz的频率。噪声带宽越大，积累的噪声能量就越大，因此设计就越差。如果要在高级节点中执行高性能RF，必须发明新技术来应对这些挑战。”

较小节点的另一个问题是漏电流。“它开始占主导地位，” Imagination的埃德加（Edgar）说。“当您应该关闭所有设备时，仍然会有泄漏电流。即使您将电压降低，泄漏电流仍然存在。我们的观点当然是针对低功耗的物联网应用，人们希望越来越多地关闭整个系统。实际上，您可能永远只保留的一点是PMU在SoC内部运行，因此可以使其余芯片工作起来。”

甚至数字接口也包含大量的模拟内容。Cadence的格里芬说：“任何电源纹波都会产生负面影响。” “我们一直在通过存储器接口看到这种情况，尤其是在低功耗版本的DDR上。这些电压摆幅变得非常小，这就是信号完整性工具在能够模拟和预测电源，地线和信号之间的整体交互作用中发挥关键作用的地方。您不会在大学里解决自己遇到的那种问题，在大学里，您拥有完美或理想的力量和基础。您正在与现实世界打交道，在现实世界中，信号返回路径将不是完美的折返，挑战很多。”

自适应系统

格里芬说，“这些挑战通常导致对问题的思考方式不同。“这意味着您将在0.4伏左右的电压下从0变到1，并且如果有任何一种会在电源或地面上产生一点点噪声的信号，则实际上由于该噪声会切换信号。那是不想要的切换，这意味着您的数据完整性不再可靠，您有误码率。在最新的DDR接口和低功耗DDR接口中，您必须通过误码率测试对它们进行鉴定。为此，我们必须模拟从点A到点B传输的数以百万计的比特，并确保比特错误的数量足够小以通过测试。”

这会使事情变得非常复杂，我们需要进行大量工作来均衡信号，因此，当我们实际对数据进行反序列化时，我们将能够获得正确的1和0电平。” “但是实际发生的事情无法衡量。许多公司所做的就是在芯片中内置一个测量设备。该测量设备可以发送信息，因此您实际上可以看到正在发生的事情。利用这样的信息，控制器就可以做出误码率正在增加的判断，也许是因为我不能充分地均衡信号，所以我要把它限制到较低的数据速率。即使可能无法保持接口的完整性，也可能无法保持接口的完整性。”

类似的事情发生在模拟接口上。“你不一定要以全功率传输，”埃德加说。“您可以降到10 dBm，而不是以15 dBm的速度传输。这将节省电力，并有助于管理事情，但PA通常在比数字更高的电压下运行。PA工作在3或3.3伏，而不像数字电路，数字在0.9或0.6时，节点较小。”

面临的挑战是设计一种设备，该设备可以了解其从组件获得的有关数据完整性或电源完整性的反馈。“我们可以模拟所有这些功能，”格里芬说。“然后，IoT设备制造商可以通过创建必要的监视器，为该设备创建软件或固件来解决这些问题，以便监视器正常运行并进行适当的调节。”

改变架构

许多公司不得不重新考虑整个架构，不仅是针对IoT设备本身，还在于其所连接的系统。“如果我们必须关闭整个芯片，我们需要能够将其重新上电，并且您必须考虑内存，” Edgar说。“其中有多少需要保留，应保留在哪里？那实际上可能不是物联网的一部分。它可能在主机上。我们必须改变对架构的思考方式，以使我们能够真正降低芯片的功耗并能够快速启动它。”

解决这些难题的另一种方法是将更多的模拟内容转换为数字内容。“模拟电路往往对噪声更敏感，” Faisal说。“如果您的电路试图产生准确的电流，那么随着缩放比例的增加，噪声将会越来越高。如果电路本质上是从零切换到一，则可以忍受更多的噪声，那是数字的最大优势之一。通过采用传统的模拟电路，您必须意识到非常敏感的偏置电流和电压，并以数字方式进行处理，现在您可以将其视为数字解决方案。”

这正是Imagination的发展方向。“我们正在尝试看看如何从模拟RF转向半数字RF，” Edgar说。“例如，使用PLL，我们正在尝试看看如何将其移出模拟域并移入数字域。通过使用半数字模拟系统，我们可以开始获得更好的收缩率。越来越多的数字PLL可用，这将是一个很好的开始，因为PLL是一个相当大的功耗区域。例如，如果我们希望将其用于WiFi，则需要一种可以在很宽的频谱范围内工作的设备，而我们实际上还没有。”

成本问题

大小与成本有关，而成本是一个重要因素。西门子业务部Mentor产品管理总监Joe Davis说：“由于成本是物联网和边缘设备的最大关注点，因此整个产品需要高度优化。”“在设计中，有许多方法可以处理诸如环境影响（热，电磁，振动等）之类的问题，但是这些技术需要占用面积或设计时间，这会影响零件成本。因此，物联网设计团队确实需要能够同时优化模拟和数字功能，功率传输和可靠性，以获得最佳的总体系统成本，功能和可靠性。具有跨越模拟和数字空间的设计工具，以及可靠的物理模型和制造过程验证，将至关重要。”

物联网设备的设计工具有多适合？“当我们处理某些高端设备（例如手机）时，我们希望这些公司可以使用包含数百个（甚至数千个）可用内核进行仿真的计算机群进行仿真，”格里芬说。“许多物联网设备来自较小的公司，它们可能不具备相同水平的计算技术。我们拥有整个多物理场分析工具，在大多数情况下，它们可能更适合高级公司。但是最后，技术，算法都是相同的。对于没有预算可以运行1，000核仿真的公司，我们可以提供足够好的性能。”

结束语

虽然许多IoT设备仍保留在较旧的节点上，通常对信号和电源完整性或变化的担忧要少得多，但它们在如此低的电压下运行这一事实意味着，这是必须解决的非常实际的问题。在某些情况下，问题要比高端设备更严重，高端设备可以在更多数量的设备上分摊设计成本。设计团队通过寻找解决问题的新架构和新方法来进行调整。
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