模擬集成電路

模擬集成電路 [1] 主要是指由電容、電阻、晶體管等組成的模擬電路集成在一起用來處理模擬信號的集成電路。有許多的模擬集成電路，如運(yùn)算放大器、模擬乘法器、鎖相環(huán)、電源管理芯片等。模擬集成電路的主要構(gòu)成電路有：放大器、濾波器、反饋電路、基準(zhǔn)源電路、開關(guān)電容電路等。模擬集成電路設(shè)計(jì)主要是通過有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師進(jìn)行手動的電路調(diào)試，模擬而得到，與此相對應(yīng)的數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)大部分是通過使用硬件描述語言在EDA軟件的控制下自動的綜合產(chǎn)生。1958年,杰克·基爾比在鍺材料上用5個(gè)元件實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡單的振蕩器電路，成為世界上第一塊集成電路。這一發(fā)明揭開了20世紀(jì)信息革命的序幕，標(biāo)志著電子時(shí)代的到來。隨著以計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)為代表的高科技產(chǎn)品在國防科技、工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中越來越廣泛的應(yīng)用，以集成電路為代表的微電子產(chǎn)業(yè)也進(jìn)入了一個(gè)前所未有的發(fā)展階段。集成電路(簡稱IC)按其功能、結(jié)構(gòu)的不同，可以分為數(shù)字IC和模擬IC兩大類。數(shù)字IC用來產(chǎn)生、放大和處理各種數(shù)字信號(指在時(shí)間和幅度上離散變化的信號。例如VCD、DVD重放的音頻信號和視頻信號)的電路。模擬IC是用來產(chǎn)生、放大和處理各種模擬信號(指幅度隨時(shí)間連續(xù)變化的信號)的電路，是微電子技術(shù)的核心技術(shù)之一，能對電壓或電流等模擬量進(jìn)行采集、放大、比較、轉(zhuǎn)換和調(diào)制。在信息技術(shù)中，數(shù)字集成電路是主角，其處理對象是以數(shù)字信號承載的信息，而數(shù)字信號在時(shí)間、量的方面是取離散值的。但是自然界的信號在時(shí)間和量方面的變化是連續(xù)的，比如風(fēng)聲、水流量等，這樣的信號稱為模擬信號(Analog Signal)，相應(yīng)地，處理模擬信號的電路稱為模擬電路，而用來處理模擬信號的集成電路則稱為模擬集成電路。顯然數(shù)字電路是無法直接跟自然界打交道的，只是為了處理或傳輸?shù)姆奖悖瑸榱顺浞掷脭?shù)字系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，把模擬信號先轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，輸入到大容量、高速、抗干擾能力強(qiáng)、保密性好的現(xiàn)代化數(shù)字系統(tǒng)處理后，再重新轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出。集成電路的主角是晶體管，模擬集成電路也不例外，只是其利用的是晶體管的放大作用，而數(shù)字集成電路則是利用晶體的開關(guān)作用。早期的模擬集成電路大都使用雙極型晶體管，由于CMOS工藝的成熟，克服了早期CMOS電路速度較慢的缺點(diǎn)，并且有著功耗低和工藝升級換代方便的優(yōu)點(diǎn)(CMOS的等比例縮小)，如今模擬集成電路和數(shù)?；旌霞呻娐?數(shù)字電路和模擬電路集成在一起)也常用CMOS來設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了。模擬集成電路的基本電路包括電流源、單級放大器、濾波器、反饋電路、電流鏡電路等，由它們組成的高一層次的基本電路為運(yùn)算放大器、比較器，更高一層的電路有開關(guān)電容電路、鎖相環(huán)、ADC/DAC等。根據(jù)輸出與輸入信號之間的響應(yīng)關(guān)系，又可以將模擬集成電路分為線性集成電路和非線性集成電路兩大類。前者的輸出與輸入信號之間的響應(yīng)通常呈線性關(guān)系，其輸出的信號形狀與輸入信號是相似的，只是被放大了，并且按固定的系數(shù)進(jìn)行放大的。而非線性集成電路的輸出信號對輸入信號的響應(yīng)呈現(xiàn)非線性關(guān)系，比如平方關(guān)系、對數(shù)關(guān)系等，故稱為非線性電路。常見的非線性電路有振蕩器、定時(shí)器、鎖相環(huán)電路等。模擬集成電路的典型應(yīng)用如下圖所示，輸入溫度、濕度、光學(xué)、壓電、聲電等各種傳感器或天線采集的外界自然信號，經(jīng)過模擬電路預(yù)處理后，轉(zhuǎn)為合適的數(shù)字信號輸入到數(shù)字系統(tǒng)中;經(jīng)過數(shù)字系統(tǒng)處理后的信號再通過模擬電路進(jìn)行后處理，轉(zhuǎn)換為聲音、圖像、無線電波等模擬信號進(jìn)行輸出。

相對于數(shù)字集成電路基于標(biāo)準(zhǔn)單元庫使用EDA工具軟件進(jìn)行自動化設(shè)計(jì)的方法，模擬電路卻保留了人工設(shè)計(jì)的方法，當(dāng)然也有大量的電路畫圖和仿真軟件工具，和一些成熟的電路單元可以使用，但是要設(shè)計(jì)出好的模擬集成電路，更多的是依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)。因?yàn)槟M電路要考慮的因素更多，除了數(shù)字集成電路關(guān)注的速度、功耗和面積之外，還需要考慮增益、精度等性能指標(biāo)，考慮噪聲、串?dāng)_、溫度、器件非線性度等對性能的影響。