集成方式用于解決混合信號半導體的挑戰(zhàn)

由于汽車與工業(yè)應用中的電子器件顯著增多，因此在持續(xù)快速增長的中國電子工業(yè)中，汽車與工業(yè)市場仍然扮演著重要角色。

值得注意的是，在電子設計方面，汽車與工業(yè)領域之間的共同要求越來越多。例如，由于傳感器數量越來越多，現在這兩個領域的許多應用都依賴于復雜的信息處理，同時，精確電機控制或者對繼電器等機電執(zhí)行元件的需求也已非常普遍。網絡也是一個正在大幅度增長的領域?，F在，汽車和工業(yè)設計中都采用CAN和LIN等車內網絡(IVN)標準，以將傳感器、執(zhí)行器和處理器與相關控制和管理功能連接起來。

最后，汽車和工業(yè)應用還都需要在各種惡劣、苛刻的環(huán)境中提供長期可靠的運行。這種環(huán)境條件包括溫度、震動、電噪，許多情況下還需要在高壓下運行。

混合信號半導體

面對必須在短周期、緊張預算控制內實現新設計，以及在越來越小的空間內使用最少數量組件的壓力，設計人員正在尋找各種途徑，從傳統(tǒng)分立元件設計轉到集成度更高的半導體器件。這使得對片內系統(tǒng)ASIC和ASSP器件的需求不斷增長，這些器件利用混合信號半導體技術將模擬和數字功能集成在了同一芯片上。

真正的混合信號工藝需要把電壓較高、噪聲敏感度較高的電路與電壓較低但會產生噪聲的數字電路隔離開，這可通過使用深槽隔離技術實現。在該技術中，一系列隔離槽深埋在芯片襯底內，從而有效地形成能夠很好控制噪聲和電源參數的片內“保護區(qū)(pockets)”。傳統(tǒng)混合信號技術可以實現放大器、ADC、濾波器等控制與信號處理功能與微控制器、存儲器、定時器、邏輯控制等數字功能的結合。但是為滿足新興汽車與工業(yè)設計的需求，混合信號處理的能力必須遠遠超過這些。現在混合信號半導體廠商面臨著諸多挑戰(zhàn)，他們必須把傳統(tǒng)混合信號設計的相關功能與保證高壓高溫運行的各種技術結合起來，提供高水平的抗電磁干擾和瞬態(tài)電壓能力，提供滿足相關行業(yè)機構質量與安全要求的產品，還要以最低成本滿足上述需求，并把握進入市場的最佳時機。

而且，如果是要滿足當今汽車與工業(yè)工程師的需求，傳統(tǒng)混合信號器件的基本功能也必須在嵌入式智能化、存儲器、公用網絡控制器及接口可用性、直接執(zhí)行器輸出等領域大幅擴展。

高壓Smart Power

對用于汽車和工業(yè)領域的許多混合信號器件而言，高壓性能是一個關鍵要求，無論是電機控制、繼電器驅動還是僅僅需要耐受瞬態(tài)高壓的能力。幸運的是，現在有很多高壓混合信號半導體加工工藝能夠滿足這一要求。

以AMI半導體公司的I3T80 Smart Power加工工藝為例，基于0.35mm CMOS的I3T80工藝可以在80V的條件下運行，使系統(tǒng)設計人員能夠使用高集成度數字電路、高壓電路以及高精度模擬模塊的芯片，減少組件數量、節(jié)約空間并降低成本。

這種高壓工藝可使門電路密度高達15000/mm2，并包括高性能縱向浮動nDMOS晶體管在內的一整套高壓DMOS和雙極器件。另外，這種工藝還采用NPN和PNP雙極器件、高壓浮動二極管和多種無源器件，并為希望使用AMIS工藝設計，需要PLL、USB接口、總線協議控制器、用于網絡連接的控制器、嵌入式微處理器等選件的設計人員提供IP功能塊。

AMIS Smart Power采用金屬-金屬電容器和良好匹配的高阻抗電阻。靜電放電(ESD)是產品開發(fā)的一個重要方面，4.5kV HBM(人體模型)和750V CDM(設備充電模型)的額定值可以滿足最為苛刻的要求。

處理器和存儲器

混合信號電路的一個發(fā)展趨勢是增加某種類型的中央處理電路，使AMIS I3T80加工工藝適用于ARM7TDMI、R8051、6502內核等選件。而且，由于片內處理的需要，還出現了對片內數據與程序存儲的要求。一般使用數據鎖存器、寄存器、RAM等易失性存儲結構，但需要持續(xù)供電來保留數據。然而，較新的混合信號設計采用包括OTP或EEPROM等在內的非易失性存儲器(NVM)選件來進行工廠編程，最近又采用閃存選件。例如，AMIS公司為其I3T80 Smart Power高壓混合信號系統(tǒng)工藝技術開發(fā)出嵌入式高注入MOS(HiMOS)閃存。成熟的I3T80混合信號技術與強大的新型NVM結合，將使設計人員能夠為最惡劣的汽車與工業(yè)工作環(huán)境創(chuàng)建經濟型智能傳感器接口、智能執(zhí)行器以及其它高級單芯片器件。

HiMOS閃存能夠在-40℃~125℃溫度范圍內運行。它使設計人員能夠嵌入雙排存儲器，其中一排是高達64kB的代碼存儲，另一排是高達512字節(jié)的虛擬EEPROM數據存儲。由于AMIS HiMOS閃存是僅使用I3T80基本工藝掩模組上的三個額外掩模層實現的，因此這種基于閃存的智能化Smart Power芯片為分立元器件以及其他SoC替代方案提供了一種非常經濟的選擇。

HiMOS閃存最多可提供100個代碼存儲擦除周期和最少10000個數據存儲擦除周期。它能夠保存數據15年，完全滿足汽車電子組件AEC-Q100臨界應力測試的要求。

網絡和通信能力

構建網絡需要物理層(PHY)實現，并且要求特別注意抗電磁干擾性、總線短路保護、網絡通信阻斷預防等問題。設計人員經常需要自己考慮提供這些特點，但最新的混合信號半導體技術提供了一種替代方法。

在這方面特別令人感興趣的是LIN、I2C、SPI和CAN網絡標準，目前，后者已成為汽車和工業(yè)設計中非常普遍采用的標準，是伺服器、傳感器、控制器以及車內網絡、機械控制和自動化所用的各種其他設備主機的互聯基礎。因此，混合信號半導體廠家必須以現貨ASSP或IP塊的形式提供CAN和LIN功能，以整合到ASIC中。

解決EMC問題

隨著汽車和工業(yè)電子器件的增多，電磁兼容性(EMC)問題也越來越成為工程師所面臨的設計挑戰(zhàn)。其中三個主要問題是： 如何最大程度地降低電磁敏感度(EMS)，從而保護電子器件不受其他電子系統(tǒng)引起的有害電磁發(fā)射(EME)的影響;如何保護電子器件不受惡劣環(huán)境的影響，包括供電系統(tǒng)瞬變或開關燈和電機等大負載或電感負載產生的干擾等;如何最大程度地降低可能影響其他電子電路的電磁輻射。

而且，隨著系統(tǒng)電壓增高、數字電子器件增多、以及更多高頻電子器件帶來的頻率上升，這些問題越來越突出。此外，現在許多電子模塊都會連接線性度低、偏移較大的低功率的廉價傳感器。這種傳感器信號幅度較小，電磁干擾的影響對它們的運行可能是災難性的。

這里應該注意的關鍵一點是，輻射和敏感度不是集成電路的主要問題。相反，引發(fā)關鍵問題的是PCB和線束上的有效天線所產生的傳導發(fā)射和敏感度。

在其自有的混合信號半導體加工基礎上開發(fā)片內系統(tǒng)器件的過程中，AMIS通過各種途徑協助工程師確保他們的最終設計符合EMC要求。例如，對于DSP切換、時鐘驅動器以及其他高頻電流產生的EME，應盡可能使用低功耗電路。這可能包括使用降低或自適應電源電壓，或使用某種架構將時鐘信號在頻域內擴展。還可通過減少同一時鐘周期內開關元件的數量來降低EME。另外，通過對時鐘和驅動器信號實施斜率控制來放緩開關速度，提供較軟的開關特性，也有助于降低EME。外部和芯片布局也應予以仔細研究。例如，使用雙絞線的差分輸出信號產生的EME更少，對EME也更不敏感。確保VDD和VSS彼此靠近和使用高效電源去耦也是降低EME的簡單方法。

整流/抽送、寄生器件、電流與功率消耗是三種對高EMS最嚴重的干擾效應。高頻電磁功率被集成電路部分地吸收，這樣可能造成各種干擾。其中包括向高阻抗節(jié)點輸出高頻電壓，以及向低阻抗節(jié)點輸出高頻電流。PCB設計隨應用不同而變化，而產品與PCB設計間又存在微妙的關聯，因此，系統(tǒng)和集成電路工程師必須密切合作，以最大程度降低其影響，這一點至關重要。

混合信號ASIC和ASSP

AMI半導體公司已利用上述技術和方法為ASIC和ASSP器件的開發(fā)創(chuàng)造了基礎，滿足工業(yè)與汽車應用中的集成、功能、性能、電壓、溫度及環(huán)境要求。

傳感器接口ASIC

在當今系統(tǒng)越來越高復雜度的驅使下，更多智能化功能被集成到傳感器元件上。現在，如上所述這些工藝設計上的進步已經達到可以實現這種集成水平的程度。傳感器接口ASIC解決方案可以把一個普通傳感器轉變?yōu)橹悄軅鞲衅?。重點必須放在傳感器元件(也包括溫度探測、霍爾效應探測、校準和診斷等智能傳感器接口)信號的調整、轉換與處理的最佳方法上。