在同時需要對模擬信號和數字信號進行處理的應用中，傳統方法通常采用一個mcu和多個離散元件實現；使用混合信號mcu可將所有的系統功能都集成在一個系統單芯片上，較之傳統方案電路更小，功耗更低，可靠性更高。

傳統上，在同一顆芯片上提供模擬數字轉換器(adcs)和數字模擬轉換器(dacs)支持是混合信號微控制器(mcu)所應達到的最低要求，然而設計人員對于“混合信號”組件的期望通常不單單于此。真正的混合信號微控制器是一種單芯片系統，它能同時處理模擬信號和數字信號的輸入與輸出，其效能則不比將模擬、數字分開處理的解決方案差。但真正功能完備、勝過傳統解決方案的混合信號微控制器并不多見。

集強大功能于一身

混合信號微控制器能在同一顆芯片上處理不同類型的信號，從而使功能分割變得更相對簡單。其固有的功能整合性不但可以簡化設計，同時也減少了電路板面積。

在設計過程中，一旦系統規格和功能實現的分割方式確定后，接下來就要決定如何根據設計要求將系統最佳化，需要綜合考慮系統效能最大化、功耗最小化、實體空間限制和系統總成本等眾多因素。設計人員必須慎重選擇需要用到的每一個元器件，例如傳感器、制動器、晶體管/二極管/電容等離散模擬器件、電源供應和放大器等模擬芯片以及其他數字組件，包括可編程邏輯芯片、固定功能控制器、內存芯片、微處理器和微控制器等。

一個很重要的約束條件是：在實現系統支持多種不同信號的同時，最大程度地將電路板面積和系統復雜性減至最小。例如傳感器只能提供強度僅在毫伏范圍內的很小的模擬信號；可編程處理器使用的數字信號通常則在1.8～5.5 v范圍內；系統控制的制動器很可能需要電壓更高和電流更大的功率級，而其在本質上又屬于模擬電路。多數電子系統都會使用類似于上述的多種不同信號，因此功能分割問題變得非常復雜。

以圖1所示的典型的嵌入式系統為例，由傳感器的輸出提供的模擬信號，必須先經過a/d轉換器、比較器和可編程增益放大器轉換成數字信號，才能送給微控制器處理。微控制器的輸出通常為數字信號，這些數字信號需要再經過d/a轉換器或物理層芯片(phy)轉換回模擬信號，才能用來驅動模擬器件。除此之外，嵌入式系統的其他功能均為系統本身管理所需，包括溫度傳感器、電壓參考、振蕩器、電荷泵浦 (用來供給eeprom組件燒錄資料所需的高電壓) 以及穩壓器等，這些功能通常需要的都是模擬信號。

上面提到的諸多功能，包括由離散組件提供的所有常用模擬功能在內，都可以集成到一塊mcu中，這就是混合信號mcu的本質特征。

體積更小 可靠性更高

圖2是兩種設計方案的比較。方案一使用了典型的微控制器和多個離散元件，包括可編程增益放大器、adc、dac、比較器、石英振蕩器、參考電壓、電阻和電容；方案二使用了混合信號微控制器，將方案一的所有功能都集成在了一個系統芯片上。從圖中可看出，方案二的電路更小巧。這一點對許多應用非常重要，事實上，很多便攜式應用首先考慮的因素就是要求電路所占空間小，方便攜帶，mp3就是個很好的例子。

高集成方案的另一個優點是可靠性高。嵌入式系統的可靠性問題主要來自于連接點，包括焊接點和連接線。連接點的數目越多，故障的可能性就越高。混合信號mcu則減少了元件數目和連接點，進而大幅提升了系統的可靠性。

功耗更低

單芯片混合信號mcu的另一個優點是功耗更低。對于市場上最低功耗的微控制器來說，如果將其應用在具有功耗很大的獨立式adc或其他大功耗模擬芯片的系統中，那么其低功耗的優勢將化為烏有。相比之下，使用混合信號mcu時，只有一顆芯片需要電源供電，功耗大大降低。

噪聲更小

就噪聲的產生以及受噪聲影響程度等系統噪聲性能而言，采用混合信號mcu的系統優于使用多個模擬和數字芯片的系統。因為采用混合信號mcu不必將高速數字信號傳送到獨立式adc或dac，所以電磁幅射的強度會減少。另外，系統受噪聲影響的程度也變得更小，因為可能受到噪聲影響的元件數目變得更少。

系統成本更低

高集成度系統的總成本也相對較低。元件數目的減少，再加上單一的封裝、晶粒和測試成本，這都是混合信號mcu方案的重要優勢。其他方面的成本也會減少，例如軟件和整體設計的復雜性都會降低，這將縮短產品的研發時間，精簡研發成本，加速產品面市進程。

混合信號mcu設計面臨的挑戰

數字和模擬芯片傳統上會使用不同類型的生產加工技術。對于微控制器和內存芯片之類的數字組件來說，主要選用cmos技術。cmos常用于全數字芯片，模擬組件通常則使用不同的加工技術，例如bicmos和雙極加工。由于cmos是業界成本最低的加工技術，混合信號組件的目標就是利用業界標準的cmos加工技術把模擬和數字電路集成到一顆芯片上。這種ic設計挑戰需要專門的知識和技巧，然而業界精通模擬設計的工程師卻遠少于數字設計人員，混合信號組件也沒有標準的設計工具。

除此之外，許多微控制器面對高速數字總線時，內部模擬電路的效能就會下降，因此若要達成取代系統內多個元件的目標，真正的混合信號mcu至少要內建12位的adc、dac和振蕩器。

混合信號mcu的研發制造是一項重大的挑戰，包括很多棘手的技術問題，例如需要精通高度設計技巧的工程師，才能確保數字噪聲不會導致模擬外圍的工作效能下降。混合信號mcu的研發和生產都很困難，但它們也會帶來極大好處，通過將高精確度的高速模擬外圍以及數字控制電路集成在同一顆芯片上，混合信號mcu讓設計人員可以跳過系統層級的模擬－數字整合問題。

從圖3所示的混合信號mcu中可看到，芯片上的模擬電路并不如數字電路那么有“規則”；除了64k閃存方塊右側的電荷泵浦電路之外，ram和閃存數組都是規則性的結構。此外，從圖中還能明顯看出：相對于中央處理器、連接器、定時器和uart等數字功能的閘海 (sea-of-gates) 結構，芯片內的兩個12位dac模塊、8位adc模塊以及12位adc模塊是屬于人工設計的架構。該芯片還包含許多其他模擬功能，例如取代外部振蕩器和諧振電路的芯片內建振蕩器、芯片內建溫度傳感器和支持可編程設定滯后值的兩個比較器，它們可用于中斷處理或是喚醒功能 (wake-up)。

結語

混合信號mcu為設計人員帶來了成本更低、體積更小、速度更快、模擬功能更強大的解決方案，是工業和程序回授控制系統、移動電話基站、便攜式和靜態測試設備、智能型發射機和電子磅秤等應用領域的理想選擇。