混合信號集成讓模擬設(shè)計(jì)人員進(jìn)入新角色

在過去的十年里，模擬設(shè)計(jì)人員和電源設(shè)計(jì)人員的角色一直在發(fā)生變化。最近，隨著半導(dǎo)體集成水平越來越高以及產(chǎn)品制造領(lǐng)域的全球性變化，這種角色變化的趨勢進(jìn)一步加劇。概括地講，集成正在從處理器延伸到各種模擬外設(shè)，逐漸向上游發(fā)展，制造業(yè)也正在向中國轉(zhuǎn)移。仔細(xì)研究一下，發(fā)現(xiàn)這是一個非常有意思，且具有啟發(fā)性的故事。

新角色

我們首先回顧一下模擬設(shè)計(jì)人員角色演變的過程。人們曾經(jīng)希望模擬設(shè)計(jì)人員(無論男女)成為精通一項(xiàng)不可思議的藝術(shù)的大師，他們的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)或多或少的各種單功能器件之間的互連。很久以前，他們處理的器件從無源器件和電子管，然后是晶體管、運(yùn)算放大器和比較器，發(fā)展到簡單的定時IC、PLL、ADC和DAC等。他們的工作是驅(qū)動模擬收音機(jī)和電視、示波器和X光機(jī)、雷達(dá)裝置和投彈瞄準(zhǔn)器，從模擬信號的角度來看，大多數(shù)這些設(shè)備都與真實(shí)世界發(fā)生交互。最近，數(shù)字輸出的出現(xiàn)，極大地方便了與微控制器或DSP的交互，而這些器件則是數(shù)字設(shè)計(jì)人員涉及的領(lǐng)域。(請參見：An Early Experience with Mixed-Signal Design Disciplines。)

如今，情況發(fā)生了變化。當(dāng)混合信號芯片廠商發(fā)布新產(chǎn)品時，許多新產(chǎn)品(可能是其中的大部分器件)都是面向特定應(yīng)用的，它們包含整個信號鏈，從傳感器輸入以各種形式收集模擬數(shù)據(jù)，并將模擬數(shù)據(jù)變成電壓電平，到通過信號調(diào)節(jié)進(jìn)行數(shù)字化。輸出通常是針對芯片廠商的某種微控制器或DSP的輸入進(jìn)行預(yù)配置的。事實(shí)上，一般都會有完整的參考設(shè)計(jì)可供使用。終端產(chǎn)品廠商唯一要做的事情就是確定要實(shí)現(xiàn)哪些功能，價(jià)位多少，以及包裝電子器件的封裝設(shè)計(jì)。

芯片廠商的這種商業(yè)模式似乎在全球范圍內(nèi)都比較普遍。而歐洲、日本和韓國是特例，這些地區(qū)的IC制造商都是大型的垂直集成型機(jī)構(gòu)，新款芯片的主要客戶可能都是內(nèi)部客戶，而北美芯片公司的客戶往往是中國廠商。

對于模擬設(shè)計(jì)工程師來說，產(chǎn)品集成的這種變化已經(jīng)改變了他們的職業(yè)前景。除了從事工業(yè)控制領(lǐng)域工作的工程師以及軍事航空和電信公司的工程師之外，以前需要在工作臺上進(jìn)行的設(shè)計(jì)工作已經(jīng)不復(fù)存在了。所有我訪問過的公司都認(rèn)為，模擬設(shè)計(jì)領(lǐng)域的機(jī)會已經(jīng)轉(zhuǎn)移到了芯片公司，芯片公司的模擬工程師可以是該公司內(nèi)部或者這個領(lǐng)域的混合信號芯片設(shè)計(jì)人員或者應(yīng)用工程師。

促進(jìn)改革的推動力

事情發(fā)展到這種局面經(jīng)歷了一些過程。顯然，IC設(shè)計(jì)規(guī)則一代代地持續(xù)縮小推高了集成度，不過由于允許的工作輸入電壓隨著物理尺寸的縮小而降低，也同樣帶來了各種難題。

僅僅從模擬領(lǐng)域完善模擬芯片設(shè)計(jì)可能會使芯片生產(chǎn)工藝停留在0.35微米時代。從那時起就已經(jīng)有必要通過數(shù)字領(lǐng)域的技巧來緩解基本的噪聲問題。

事實(shí)上，設(shè)計(jì)規(guī)則的縮減已經(jīng)成為混合信號集成的推動因素之一。將信號調(diào)節(jié)放大器連接到ADC不再需要留給客戶工程師來做了：這些工程師并不是非常熟悉工藝技術(shù)以及在信號鏈各級實(shí)現(xiàn)的專有技術(shù)。芯片廠商如果不希望客戶抱怨他們的產(chǎn)品沒有在真實(shí)設(shè)計(jì)中達(dá)到其數(shù)據(jù)手冊中的特性，他們就必須將接口隱藏在芯片封裝內(nèi)。即使是這樣，最終產(chǎn)品的性能也不可能由于客戶修改了由工廠開發(fā)的布局而得到提升。因此，我們找到了完整的參考設(shè)計(jì)和Gerber圖，并且找到大批現(xiàn)場應(yīng)用工程師向客戶解釋，為什么工程師們確實(shí)不愿意用便宜的電容來給每個電路板節(jié)省半分錢的成本。

OEM還是ODM？

削減材料成本往往會將一個設(shè)計(jì)置于死地，這種觀念為過渡到高集成度混合信號IC產(chǎn)品提供了主要依據(jù)。

對于購買新型混合信號產(chǎn)品并將這些產(chǎn)品變成面向普通民眾和新興中產(chǎn)階段的消費(fèi)類產(chǎn)品的公司(OEM和ODM)而言，他們正面臨著這樣的難題。

我們先來了解一下這些首字母縮略詞——OEM是原始設(shè)備制造商的縮寫，而ODM是原始設(shè)計(jì)制造商的的縮寫。我無法在網(wǎng)絡(luò)上找到一個我認(rèn)同的明確解釋，因此我會提出一個與我在芯片業(yè)務(wù)中獲悉的說法相一致的定義。

概括地講，這是一種分級的局面：OEM為銷售品牌產(chǎn)品的公司生產(chǎn)有品牌的產(chǎn)品。ODM則生產(chǎn)組件，可能有多家公司會在這些組件上加上GUI，并用外殼進(jìn)行封裝后，以多種未注冊的商標(biāo)進(jìn)行銷售。

OEM這個名稱是OEM概念在汽車業(yè)務(wù)中的延伸。福特(Ford)或豐田(Toyota)銷售給普通用戶的擋風(fēng)玻璃雨刮器電機(jī)可能就是外面的廠家按照福特或豐田的規(guī)格生產(chǎn)的。這種電機(jī)可能還需要進(jìn)行某種驗(yàn)收之后才能進(jìn)入福特或豐田的“車廠到經(jīng)銷商”的供應(yīng)鏈中。福特或豐田的品牌以及該電機(jī)來自汽車公司的零件部這一事實(shí)會給我們帶來信心，使得我們愿意接受這些產(chǎn)品高于從產(chǎn)品目錄中購買的具有同樣規(guī)格的產(chǎn)品的價(jià)格。

在電子產(chǎn)品由中國廠商(這些廠商可能已經(jīng)購得了以前比較出名的北美品牌的品牌權(quán))生產(chǎn)的情況中，運(yùn)行機(jī)制是相似的：以擁有品牌的公司的名義銷售的產(chǎn)品是無與倫比的，公司可能在十年或者更長的時間都一直在致力于通過優(yōu)異的性能、過硬的質(zhì)量和顧客支持，為其品牌建立聲譽(yù)。

在中國，這類公司往往面向的是海外市場。當(dāng)海外市場像現(xiàn)在一樣不景氣的時候，情況就不是很妙，這樣，它就無法支持通常較短的消費(fèi)產(chǎn)品生命周期。(我們應(yīng)該每三年買一個新電視。)

同時，中國中產(chǎn)階段群體的規(guī)模在與日俱增；這個群體的人群可能要比全球任何地區(qū)中產(chǎn)階段的人都要多，這些普通百姓一般都沒有采用一流的消費(fèi)產(chǎn)品，因此他們現(xiàn)在有了強(qiáng)烈的購買欲望。

此外還需要記住的是，他們沒有用信用卡的習(xí)慣，因此，雖然他們無法像西方消費(fèi)者一樣消費(fèi)那么多，但是他們幾乎不可能引起經(jīng)濟(jì)泡沫，如果像中國一樣，你一直接受的是嚴(yán)格的馬克思主義經(jīng)濟(jì)學(xué)的熏陶，這可能是一件好事。

這就是OEM所面臨的局面。如果芯片公司的參考設(shè)計(jì)有足夠的功能支持具有各種價(jià)位(與實(shí)現(xiàn)的功能數(shù)成正比)的常規(guī)設(shè)計(jì)，如果可以通過多個國內(nèi)品牌的不同配置來提供設(shè)計(jì)，并且ODM能以最低的非重復(fù)性工程(NRE)成本迅速將其導(dǎo)入生產(chǎn)階段，那么這種產(chǎn)品就是一個成功的產(chǎn)品。

也可以這樣說，如果產(chǎn)品能夠支持終端用戶對價(jià)格和性能的期望，那么這種產(chǎn)品就是一個成功的產(chǎn)品。例如，很久以前，我曾經(jīng)寫過一篇有關(guān)日本和中國空調(diào)市場的文章(網(wǎng)址為http://electronicdesign.com/article/power/air-conditioner-chip-set-is-way-cool12211.aspx)。議題是不同的壓縮機(jī)需要的電機(jī)控制以及價(jià)格與安靜度之間的折衷。日本消費(fèi)者愿意為噪聲比較小的空調(diào)支付更高的價(jià)格；而中國消費(fèi)者只要求空調(diào)能致冷就行了。

除了經(jīng)濟(jì)因素之外，還有各種其它的文化考量。如果你所在國家的大部分地區(qū)都存在醫(yī)生和醫(yī)院嚴(yán)重短缺的狀況，那么資質(zhì)相對較低的醫(yī)生使用的比較便宜的醫(yī)療儀器將在整體醫(yī)療方面起到極大的作用。因此，你會發(fā)現(xiàn)ODM不僅生產(chǎn)便宜的筆記本電腦、空調(diào)和照相機(jī)，而且還生產(chǎn)基本的超聲波儀器。(請參見：An Early Experience with Mixed-Signal Design Disciplines，網(wǎng)址為http://electronicdesign.com/article/analog-and-mixed-signal/New-Technology-Treats-Medical-Needs-In-Developing-Countries.aspx。)

如果OEM或ODM的商業(yè)模式需要廠商應(yīng)對高NRE費(fèi)用，這種商業(yè)模式就不起作用。這是我們贊同半導(dǎo)體廠商應(yīng)該專注于更有難度的模擬設(shè)計(jì)工作的另一個因素，而不是遵循舊的模式，開發(fā)各種單獨(dú)的高性能IC，并“將這些IC一股腦兒扔給”終端產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員。

缺乏導(dǎo)師

避免這種脫節(jié)同樣也是近代中國發(fā)展的一個側(cè)面。每當(dāng)我與半導(dǎo)體公司的高級工程師談起未來的模擬設(shè)計(jì)人員將來自哪個群體時，他們總是告訴我，新大學(xué)畢業(yè)生至少需要高級設(shè)計(jì)人員指導(dǎo)五年之后才能真正充分發(fā)揮作用。

毫無疑問，在中國的工程設(shè)計(jì)院校學(xué)習(xí)的年輕學(xué)生既聰明又勤奮，不過他們畢業(yè)之后，卻面臨著嚴(yán)重缺少高級導(dǎo)師的問題。據(jù)悉，由于已在海外工作幾十年的退休工程師回到工作崗位，這個問題在一定程度上有所緩解，不過只有等到更多的應(yīng)屆畢業(yè)生度過他們的成熟期之后，這個問題才會得到徹底解決。

這并不意味著年青的中國工程師一直在原地踏步。多個資源來源顯示，年青的中國工程師非常依賴他們自己的社交媒體，從而在技術(shù)問題上尋求相互支持。

影響延伸到無晶圓廠

到此為止，本文討論的范圍已經(jīng)涉及到了傳統(tǒng)的半導(dǎo)體公司及其客戶，但是向高混合信號集成度發(fā)展以及通過參考設(shè)計(jì)提供完整的產(chǎn)品化的趨勢也延伸到了無晶圓廠新創(chuàng)公司。這里舉一個例子，我以前寫過一篇有關(guān)Samplify公司的文章，該公司從一家IP供應(yīng)商發(fā)展成一家ADC供應(yīng)商，最后發(fā)展成便攜式超聲波設(shè)備的完整產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供商(網(wǎng)址為http://electronicdesign.com/article/analog-and-mixed-signal/The-Mind-Of-An-Entrepreneur.aspx)。

Samplify公司實(shí)現(xiàn)這一飛躍的途徑是面向ODM進(jìn)行優(yōu)化，不過這不是無晶圓廠公司唯一可行的辦法。蘇格蘭公司W(wǎng)olfson Microelectronics表示，它正在尋求將其編解碼器用在大公司的參考設(shè)計(jì)板的機(jī)會，從而能將他們的產(chǎn)品賣給OEM。

中國以外的地區(qū)

由于遠(yuǎn)東地區(qū)消費(fèi)類產(chǎn)品的產(chǎn)量極具影響力，因此在討論這種趨勢時，很難不去詳細(xì)討論遠(yuǎn)東地區(qū)。不過更高集成度和預(yù)先優(yōu)化的設(shè)計(jì)也開始在西方工業(yè)控制市場出現(xiàn)。

根據(jù)定義，工業(yè)控制是專注于特定產(chǎn)業(yè)的區(qū)域性領(lǐng)域，與消費(fèi)類產(chǎn)品相比，工業(yè)控制領(lǐng)域的任何一種項(xiàng)目需要的IC數(shù)都非常少。盡管如此，總的來講，工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)τ诜咒N商而言也是一筆大業(yè)務(wù)。這里的問題在于，隨著半導(dǎo)體公司不斷招收越來越多的應(yīng)屆大學(xué)畢業(yè)生，并將他們派上芯片設(shè)計(jì)工程師和應(yīng)用工程師的工作崗位，從事工業(yè)控制開發(fā)工作的新模擬設(shè)計(jì)工程師(無論是大公司還是小設(shè)計(jì)公司)就存在一定的短缺。與此同時，高級設(shè)計(jì)工程師日漸年長，紛紛退休，一方面在經(jīng)驗(yàn)上造成損失，另一方面加劇了供應(yīng)減少的局勢。

認(rèn)識到這一點(diǎn)之后，一些半導(dǎo)體公司開始改革。美國國家半導(dǎo)體公司(NSC)就是一個很好的例子。被德州儀器(TI)收購后，NSC一定會起死回生的其中一個因素就是其WEBENCH在線設(shè)計(jì)工具組合產(chǎn)品。從過去來看，這些產(chǎn)品致力于采用功能上相對簡單(與本文討論的IC相比)的IC進(jìn)行設(shè)計(jì)，不過最近發(fā)布針對特定傳感器定制的信號調(diào)節(jié)產(chǎn)品之后，這種局面發(fā)生了變化。補(bǔ)充新硬件是一種可定制整個信號鏈的新型WEBENCH實(shí)現(xiàn)方案。(請參見：Chips Implement Sensor Signal Chains From Nanoamps To Bits，網(wǎng)址為http://electronicdesign.com/article/analog-and-mixed-signal/Chips-Implement-Sensor-Signal-Chains-From-Nanoamps-To-Bits.aspx)。

LMP91000就是這種傳感器產(chǎn)品中的一個例子，這是一款面向電化學(xué)傳感應(yīng)用的可編程模擬前端(AFE)，以下網(wǎng)站上有該產(chǎn)品的說明：http://www.national.com/pf/LM/LMP91000.html#Overview。

電源因素

自從開關(guān)穩(wěn)壓器中出現(xiàn)數(shù)字控制功能之后，電源管理IC廠商已經(jīng)走上了與混合信號IC廠商相似的道路。這對于采用中間總線架構(gòu)(IBA)的應(yīng)用而言尤其如此，在這類應(yīng)用中，關(guān)閉模擬領(lǐng)域的控制回路通常被視為一種模擬魔術(shù)。因此Power-One和NSC等芯片廠商通過圖形用戶接口(GUI)支持其“數(shù)字”電源產(chǎn)品，圖形用戶接口則承擔(dān)設(shè)計(jì)過程中的所有需在工作臺上完成的設(shè)計(jì)工作和大量分析工作。

對于大多數(shù)器件來講，這些產(chǎn)品都是DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器，不過Vicor公司最近發(fā)布了一款名為PowerBench的電源設(shè)計(jì)工具，該工具支持從簡單的降壓穩(wěn)壓器和升壓穩(wěn)壓器到完整的多路輸出AC-DC電源的設(shè)計(jì)。

混合信號產(chǎn)品示例

接下來我們抽查一下各種半導(dǎo)體公司最近發(fā)布的產(chǎn)品，以此來舉例說明上述各種混合信號芯片。

去年3月，TI發(fā)布了16位和14位雙通道同步采樣逐次逼近(SAR) ADC，這兩款A(yù)DC都帶有獨(dú)立控制的內(nèi)部電壓參考，可簡化系統(tǒng)級設(shè)計(jì)。16位ADS8363、14位ADS7263和12位ADS7223(圖1)可以提供同類ADC兩倍的每通道吞吐能力，支持高達(dá)1Megasample/s的采樣速率。這些ADC的目標(biāo)應(yīng)用為工業(yè)控制領(lǐng)域，而不是消費(fèi)類或醫(yī)療應(yīng)用。典型應(yīng)用包括馬達(dá)控制、電能質(zhì)量測量、電力自動化以及太陽能和風(fēng)力發(fā)電逆變器。

圖1：Bulletproof的參考設(shè)計(jì)對于銷售和應(yīng)用旨在去除設(shè)計(jì)特定混合信號應(yīng)用所需硬件的IC至關(guān)重要。這塊針對TI公司面向工業(yè)控制的ADSxx63雙通道SAR的電路板相當(dāng)簡單，因?yàn)樾酒氖褂孟鄬^簡單。

集成兩個2.5V獨(dú)立控制的電壓參考的意義在于實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的ADC增益校準(zhǔn)和實(shí)現(xiàn)可編程增益放大器。此外，這種功能還可以在每個ADC需要不同的增益水平時減少外部信號調(diào)節(jié)的需求。

凌力爾特公司(Linear Technology)的新產(chǎn)品一般都針對汽車應(yīng)用。從高集成度的角度來講，凌力爾特公司面向混合動力汽車/電動汽車(EV)和其它高壓高性能電池系統(tǒng)的LTC6803第二代高壓電池監(jiān)測器可以解決通過串聯(lián)電池組的高壓的問題。多個LTC6803可以在不使用光耦或隔離器的情況下串聯(lián)在一起(圖2)，從而對電池陣列中的每個電池實(shí)現(xiàn)精確電壓監(jiān)測。每個LTC6803電池測量IC都包含一個12位ADC、一個精密電壓參考、一個高壓輸入復(fù)用器和一個串行接口。單個LTC6803可以測量多達(dá)12個串聯(lián)的獨(dú)立電池?？梢詼y量的電池電壓范圍為-300mV至5V，這使得LTC6803能夠監(jiān)測許多不同的化學(xué)電池和超級電容。除了精密測量之外，還可以監(jiān)測每個電池的欠壓和過壓狀況，提供相關(guān)的MOSFET使過度充電的電池放電。此外還有一個5V穩(wěn)壓器、一個溫度傳感器、GPIO線路和熱敏電阻輸入。

圖2：凌力爾特公司針對利基市場的高集成度發(fā)展路線包含了在不采用光耦的情況下監(jiān)測電動汽車電池組狀態(tài)的諸多技術(shù)。

測量汽車的電池陣列有一些獨(dú)特的要求，從而催生了一些同樣獨(dú)特的解決方案。例如，對于長期的電池組存放，集成式電池管理系統(tǒng)消耗的電流會使電池失去平衡。凌力爾特公司的應(yīng)對方法是采用待機(jī)模式，在該模式下汲取的電流不到12微安。此外，由于LTC6803的電源輸入與電池組隔離，因此LTC6803可以汲取獨(dú)立電源的電流，在這種情況下，從電池組汲取的電流將不到1微安。除此之外，芯片還必須滿足汽車溫度、環(huán)境和安全標(biāo)準(zhǔn)。

今年1月，ADI發(fā)布了面向心電圖(ECG)系統(tǒng)的模擬前端芯片系列的首款產(chǎn)品。ECG系統(tǒng)可以測量和記錄人體心臟的心電活動(圖3)，實(shí)現(xiàn)對出生缺陷、心律失常、心臟瓣膜問題和心臟肌肉的供血不足等疾病的診斷和分析。

圖3：ADI公司用于便攜式ECG的模擬前端可以在滿足嚴(yán)格要求的同時，節(jié)省功耗和BOM成本。

ADAS1000 ECG AFE可以省去5電極心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的信號鏈中的50多個元件。該器件還整合了心臟起搏器脈搏檢測和呼吸測量功能。這是一個通用器件，因?yàn)樗梢酝ㄟ^配置來優(yōu)化噪聲性能、功耗或數(shù)據(jù)速率。這些指標(biāo)是家庭、門診和醫(yī)院ECG系統(tǒng)的不同設(shè)計(jì)目標(biāo)。

對于ODM和OEM而言，自然就有相當(dāng)多的設(shè)計(jì)支持。評估板包括模擬前端、電源、控制和接口選擇方案。由于模擬前端是唯一的，因此ADI將其與ADI的Blackfin DSP(數(shù)字信號處理器)、單芯片USB隔離器、四通道數(shù)字隔離器、5kV DC-DC轉(zhuǎn)換器，433MHz、868MHz和915MHz ISM波段收發(fā)器和各種DC-DC穩(wěn)壓器整合在一起。

TI還推出了一個面向便攜式ECG系統(tǒng)的模擬前端系列。最新的24位ADS1298R整合了呼吸檢測功能，集成了40多個分立元件(如果不集成的話就需要這么多元件)。該芯片(圖4)的功耗比分立實(shí)現(xiàn)方案低95%。片上器件包括八個ADC、八個可編程增益放大器(PGA)、八個有源濾波器以及一個心臟起搏器檢測接口、持續(xù)斷線檢測功能、一個電壓參考和右腿驅(qū)動電路等。在參考設(shè)計(jì)中，該芯片與超低功耗DSP配合使用。參考設(shè)計(jì)還可以實(shí)現(xiàn)示波器、FFT和直方圖顯示，這體現(xiàn)了芯片公司在這些目標(biāo)混合信號芯片中提供的設(shè)計(jì)支持。

圖4：除芯片廠商之外的其它公司會從本文介紹的趨勢中獲益。TI的心電圖產(chǎn)品可與ADI相媲美。評估板可與Fluke公司的這款商業(yè)仿真器配合使用。

集成度有時候也涉及MEMS。ADI在1月推出了具有I2S(Inter-IC Sound，音頻芯片互連)數(shù)字輸出的高性能MEMS麥克風(fēng)ADMP441。(這是產(chǎn)前公告，今年6月開始量產(chǎn))。該公司以前在其iMEMS系列中推出了其它的麥克風(fēng)產(chǎn)品，不過這款新麥克風(fēng)器件不需要進(jìn)行信號調(diào)節(jié)和數(shù)字化操作，而是直接提供24位串行數(shù)據(jù)輸出。其規(guī)格如下：頻率響應(yīng)為100Hz至15kHz，SNR為61dBA，電源抑制比(PSRR)為80dBFS。采用4.72×3.76×1.00mm3的封裝。

圖5：集成并不意味著不使用電子元件。ADI將MEMS麥克風(fēng)與其相關(guān)的電子器件集成在一起，實(shí)現(xiàn)了一款尺寸極小的耐用設(shè)備。