模擬集成電路的發(fā)展及現(xiàn)狀

模擬IC的使用一直以消費類電子產(chǎn)品為主，這幾年一直保持穩(wěn)定增長。據(jù)Databeans公司對模擬IC市場調(diào)研報告顯示，全球模擬市場從2003年～2009年復(fù)合增長率為12%。這個數(shù)字要高出其它產(chǎn)品的增長率。這也預(yù)示著高性能模擬市場在今后的一段時間里發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｔ诿绹雽?dǎo)體工業(yè)協(xié)會( SIA )的市場統(tǒng)計中也有數(shù)據(jù)顯示，在未來的2～3年發(fā)展中，模擬市場的發(fā)展將快速超越數(shù)字市場。模擬器件將成為市場及產(chǎn)品數(shù)字化時代的模擬集成電路應(yīng)用的主流。模擬IC主要應(yīng)用于在電子系統(tǒng)中執(zhí)行對模擬信號的接收、混頻、放大、比較、乘除運算、對數(shù)運算、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換、采樣-保持、調(diào)制-解調(diào)、升壓、降壓、穩(wěn)壓等功能。電路形式有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(如A /D轉(zhuǎn)換器、D /A轉(zhuǎn)換器等)、運算放大器、大器、寬帶放大器等)、非線性放大器(模擬乘法器、數(shù)/反對數(shù)放大器等)、多路模擬開關(guān)、(線性調(diào)壓器、開關(guān)電源控制器等)、智能功率各類專用IC。模擬IC在其設(shè)計和工藝技術(shù)的發(fā)展過程中，形成了具有自身特點的設(shè)計思想和工藝體系;在技術(shù)發(fā)展水平、產(chǎn)品種類、限度地滿足了信息化技術(shù)的需要;其應(yīng)用已滲透到各個領(lǐng)域，在現(xiàn)代軍、民用電子系統(tǒng)中，模擬了重要角色;在信息化的各種場合，都離不開高性能的模擬IC，模擬IC性能水平的高低常常決定著電子產(chǎn)品或系統(tǒng)的水平高低。在器件方面,由于應(yīng)用對模擬IC的要求千差萬別,，因此在器件方面，不僅開發(fā)出十余大類的模擬IC產(chǎn)品，而且對各類模擬數(shù)百、數(shù)千種產(chǎn)品，產(chǎn)品種類和性能水平應(yīng)有盡有，可滿足應(yīng)用的不同需要。其中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是模擬和數(shù)字混合信號處理電路，它的模擬電路部分占芯片面積的50%以上。早在1986年美國的Gray教授就提出用所謂“雞蛋模型”，形象地表示了數(shù)字IC、模擬IC以及模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換(A/D)電路、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換(D/A )電路間的關(guān)系。他把數(shù)字IC比作蛋黃，模擬IC比作蛋殼，而A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路自然就成了連接二者的蛋清?？梢?，三者是一個有機(jī)整體，現(xiàn)實世界的非物理信號可以通過模擬電路以及A /D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號加工處理，再由D /A轉(zhuǎn)換電路和模擬電路才能轉(zhuǎn)化為我們能感知的模擬信號。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器方面，8～14位1～80 MHz高速A/D技術(shù)已很成熟，產(chǎn)品充足，也可見到16位以上30MHz以上的A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品。同時在A/D轉(zhuǎn)換器中不僅出現(xiàn)集成了多種功能的模擬IC，如多路轉(zhuǎn)換器、儀器放大器、采/保放大器等A /D轉(zhuǎn)換器子系統(tǒng)，而且還將不斷把其它模擬IC和各種數(shù)字電路如DSP、存儲器、CPU、I/O等集成在一起。美國模擬器件公司2006年發(fā)布了業(yè)界首款采用3 mm ×3 mm 10引腳LFCSP(引腳架構(gòu)芯片級封裝)超小型封裝的16 bit四數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) ，從而滿足了工業(yè)和通信設(shè)計尺寸不斷減小的需求————這項技術(shù)開發(fā)將節(jié)省高達(dá)70%以上的印制電路板面積。在射頻放大器方面，正采用SiGe雙極技術(shù)，以滿足應(yīng)用的高性能要求。放大器正應(yīng)用于各種手持式通信設(shè)備中，要求功耗低。ADI (美國模擬器件公司)的高性能放大器系列(如AD8350工作頻率達(dá)到1 200MHz，在250MHz時噪聲系數(shù)為6. 1dB，具有很高的動態(tài)范圍、較好的線性度和共模抑制)，可有效地應(yīng)用于通信收發(fā)射機(jī)、通用增益放大系統(tǒng)、A /D緩沖器、高速數(shù)據(jù)接口驅(qū)動器等。AD I日前發(fā)布首款A(yù)D8352，能夠有效驅(qū)動無線基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) ，并達(dá)到超低失真性能。AD8352作為ADI擴(kuò)展種類系列的最新成員，適合于驅(qū)動下一代3G和4G蜂窩、寬帶WiMAX無線基礎(chǔ)設(shè)備中使用在最高實際中頻( IF)條件下的12bit～16bit ADC，驅(qū)動高速ADC達(dá)380MHz，超過同類差分放大器能達(dá)到的100MHz，具有保持優(yōu)越性能的能力。電壓調(diào)節(jié)器方面，AD I推出的接收機(jī)IF子系統(tǒng)AD6121中集成了電壓調(diào)節(jié)器，它是一種動態(tài)范圍很寬的IF放大器，是專門為CDMA (碼分多址)系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計的，可適用于2. 9V～4. 2V的電池電源工作。Motorola推出的電壓調(diào)節(jié)器系列，開關(guān)電流低，噪聲低，靜態(tài)電流極小，可在電池電源的額定電壓下降到0. 2V以內(nèi)都能調(diào)整，很適合電池供電系統(tǒng)如蜂窩電話、無繩電話及長壽命電池供電的射頻控制系統(tǒng)應(yīng)用。當(dāng)今電子產(chǎn)品層出不窮、爭奇斗艷的根本原因，與其說是數(shù)字計算技術(shù)的飛速提高，不如說是模擬技術(shù)推陳出新的結(jié)果。小巧、省電、娛樂、方便..能夠滿足消費者這些要求的，正是模擬技術(shù)。所以，模擬技術(shù)造就了不同特色和檔次的電子產(chǎn)品，也為整個電子工業(yè)不斷創(chuàng)造著新的需求。因此，只有模擬技術(shù)才可令電子產(chǎn)品具有獨特的個性，突顯自己的特色。

模擬電路當(dāng)前呈現(xiàn)出三個突出趨勢:高性能分立器件、模數(shù)混合和SOC (System on Chip系統(tǒng)芯片)。

模擬集成電路種類繁多，其性能要求也各不相同。追求更高的性能將是模擬器件未來主要的發(fā)展方向[7]。凌特公司中國區(qū)域業(yè)務(wù)經(jīng)理李錦華簡單地將其歸納為“三升三降”，即速度、精度、效率上升，而功耗、尺寸與外圍元件數(shù)下降。對放大器而言，將向更高速度、更低噪聲、更大動態(tài)范圍等方向發(fā)展;對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器而言，將向更高速度、更高精度等方向發(fā)展;在信號處理、射頻電路、電源管理等領(lǐng)域，將向更高精度、速度與效率方向發(fā)展，同時功耗、尺寸及外圍元件數(shù)量則將不斷下降。以手機(jī)為例，消費者要求更清晰的語音、更加絢麗的屏幕，同時還要有更長的待機(jī)時間，這些都給模擬器件制造商提出了更高的要求，也為設(shè)計人員帶來了更大的挑戰(zhàn)。分立模擬電路可以把這些性能做得很高。例如，Maxim轉(zhuǎn)換速率已經(jīng)做到了2GSPS，而采用SOC (系統(tǒng)芯片)是做不到這種性能的。一個單片上組成的開關(guān)電容濾波器( SCF)完成對模擬信號的處理隨著超大規(guī)模IC的不斷發(fā)展，模擬與數(shù)字之間的概念也在不斷模糊。例如如今迅速發(fā)展起來的集成濾波技術(shù)，就是模數(shù)結(jié)合的集成電路的一個實例:它利用MOS開關(guān)，MOS電容和MOS運算放大器同時集成在[8]。美國國家半導(dǎo)體最新推出的ADC081000芯片就是模擬與數(shù)字融合的一個最好例子。這款8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)有低電壓差分信號(LVDS)接口，最高取樣率可達(dá)1. 6GHz，這是業(yè)界最快的速度。由于這款模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有高速的數(shù)據(jù)采集能力，因此系統(tǒng)設(shè)計工程師可以直接將模擬信號向下轉(zhuǎn)換，以便進(jìn)行更快及更有效的后期處理。隨著工藝水平的提高，EDA工具、Foundry工藝PDK的完善以及設(shè)計水平的提高，模擬IC正在步入新的發(fā)展時代。為了保證最佳的系統(tǒng)性能、最高的可靠性、最小的體積和最低的成本，數(shù)字和模擬IC的設(shè)計及制造正在趨向于統(tǒng)一的加工平臺，由單一的功能電路向系統(tǒng)級電路發(fā)展，這也是最具潛力的IC發(fā)展方向——SOC。SOC是微電子設(shè)計領(lǐng)域的一場革命，它從整個系統(tǒng)的角度出發(fā)，把智能核、信息處理機(jī)制、模型算法、芯片結(jié)構(gòu)、各層次電路直至器件的設(shè)計緊密結(jié)合起來，在單個或少數(shù)幾個芯片上完成整個系統(tǒng)的功能，即我們可以把越來越多的電路設(shè)計在同一個芯片中，這里面可能包含有中央處理器(CPU )、嵌入式內(nèi)存( Embedded memory)、數(shù)字信號處理器(DSP)、數(shù)字功能模塊(Digital function)、模擬功能模塊 (Analog function)、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(A/D， D/A )以及各種外圍配置(USB， MPEG)等等。這就為設(shè)計者進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)提供了可利用的最新手段。采用片內(nèi)可再編程技術(shù)，使得片上系統(tǒng)內(nèi)硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來配置，從而可以實時地進(jìn)行靈活而方便的更改和開發(fā)，甚至可以在系統(tǒng)運行過程中不停機(jī)地進(jìn)行再配置，使相同的硬件可以按不同時段實現(xiàn)不同的功能，提高了系統(tǒng)的效率。這種全新的系統(tǒng)設(shè)計概念，使新一代的SOC具有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性。它不僅使電子系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)以及產(chǎn)品性能的改進(jìn)和擴(kuò)充變得十分簡易和方便，而且使電子系統(tǒng)具有更好的性能、更低的功耗、更小的體積和更低的成本，帶來了電子系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用的革命性新變革，可廣泛應(yīng)用于移動電話、硬盤驅(qū)動器、個人數(shù)字助理和手持電子產(chǎn)品、消費性電子產(chǎn)品等。SOC是21世紀(jì)電子系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用的新平臺。TI公司推出型號為MSC120產(chǎn)品，它是一款具有8通道24位△-Σ模數(shù)/轉(zhuǎn)換器及單通道8位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的增強(qiáng)型8051 MCU。具有片上溫度傳感器、I2C、SP I接口以及低電壓監(jiān)測功能，非常適合于工業(yè)應(yīng)用，如秤重、過程控制、智能傳感器等。

模擬電路可以作為我國未來集成電路發(fā)展的切入點

我國集成電路產(chǎn)業(yè)經(jīng)過30多年的發(fā)展，現(xiàn)已形成良好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。2004年，中國集成電路設(shè)計業(yè)和芯片制造業(yè)已經(jīng)取得突破性進(jìn)展，集成電路市場需求達(dá)243億塊，然而在這243億塊集成電路中，中國本地產(chǎn)的產(chǎn)品不到8% ，這其中既蘊(yùn)藏著巨大商機(jī)，同時也反映了中國IC設(shè)計業(yè)與國際IC設(shè)計業(yè)的差距。中國的集成電路業(yè)正面臨著前所未有的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。2005年中國消費電子產(chǎn)業(yè)保持快速增長，對集成電路產(chǎn)品需求大幅增加。中國廣闊的模擬 IC應(yīng)用市場，給模擬IC技術(shù)帶來足夠的發(fā)展空間。模擬電路可以作為我國未來集成電路發(fā)展的切入點。做CPU的許多知識不是從書本上可以學(xué)到的，而是經(jīng)驗和竅門。中國缺少這類人才，還需要長時間的經(jīng)驗積累。并且，經(jīng)費也是一個問題，芯片每一次投片需要投入幾十萬美元，而高性能的CPU投片七、八次是很正常的。中國集成電路水平在通用CPU產(chǎn)品領(lǐng)域甚至相差20至30年的水平。因而，我們可以避開高檔的CPU，瞄準(zhǔn)國際IC產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢，即SOC，通過嵌入式芯片的設(shè)計實施跟蹤和突破。因為在數(shù)字設(shè)計中，幾乎每件事都可以自動完成;但模擬電路仍然要依靠工程師的智慧來實現(xiàn)設(shè)計。采用模擬和數(shù)字結(jié)合的嵌入式芯片IC制造業(yè)無論從質(zhì)還是從量來說都不算發(fā)達(dá)，但是只要找準(zhǔn)了發(fā)展方向，伴隨著全球產(chǎn)，能充分發(fā)揮我們已有的生產(chǎn)能力;而且，它種類眾多，在諸如手機(jī)、數(shù)字電視、DVD、電視機(jī)頂盒、PDA等不同領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，與高度標(biāo)準(zhǔn)化的PC只有英特爾一家獨大現(xiàn)象不同，國外大公司很難形成壟斷。雖然中國業(yè)東移的大潮、中國的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定增長，再加上巨大的內(nèi)需市場，以及充實的人力資源，豐富的自然資源，可以說，中國模擬集成電路的發(fā)展盡得天時、地利、人和之優(yōu)勢。相信在不遠(yuǎn)的將來，中國將會繼美國、日本、臺灣、韓國、新加坡之后，崛起為新的世界集成電路制造中心。