|
|
|
拥抱新模拟时代
|
|
Meeting New Analog Times
|
|
■美国国家半导体
|
21世纪信息化时代的今天，人们进入"数字时代"。大家都熟知计算机内部核心以0与1格式的运算速度，并且随着半导体制程的提升，目前已经可以达到每秒千兆位以上；对于
CPU、DRAM、I/O等种种数字芯片也耳熟能详。
相比之下，相对于数字的模拟(Analog)技术，甚至会有"模拟技术迟早会被数字技术取代"的认知。这和模拟技术实际的发展存在很大距离!
事实上，在全球以DRAM，CPU为主的半导体产业一度陷入低迷时，模拟组件产业却表现出稳健成长的态势。自1999年起每年复合成长率维持在19.1%(参考图)，市场规模逐年增加。尤其近年来随着信息家电、手机、PDA、网络、LCD显示器等新兴信息产品市场的兴起，为模拟组件厂商提供了活跃的舞台。未来，模拟设计将是工程师挑战的主要领域。
模拟依然重要
以电子术语来说，所有信息/资料都是以两种格式来表示:模拟和数字。模拟信号是指连续的信号，在数学上是以正弦波来表示。与它相反的数字信号则不是连续性的，以位(bit)来表示，它只有二种可能形式:开及关(或1和0)，在数学上表示，它代表方波。
模拟信号可以看成是人类感受到的所有信号的原始格式，如声音，视觉，压力等。所有这些信号都会不断地变化。事实上，我们传送到空气中的无线电信号就是模拟信号，
诸如AM调幅，FM调频无线广播信号等以及以数字方式解调(例如GSM用GMSK，CDMA用QPSK的无线电讯号解调)，它们的载波(carrier)都是模拟信号(复合的正弦波)。
如果没有模拟组件发挥信号的过滤、放大、转换与电源管理等功能，再强大的数字技术也无法以最佳效果让人们看得到、听得到、感受得到。相反，复杂的计算及信号处理，可以用数字格式，以非常有效率和高效益的方式来完成，特别是今天的微电子技术。由此可见，数字与模拟是相辅相承、各有所长的。例如，数字信号具有优异的无噪声干扰特性，对于模拟电路来说则是天生主要的缺点。
因此，当需要复杂的数据处理时，数字信号有其压倒性的优点，但是要从自然界撷取信号(如从麦克风收音)并且以信号与人类沟通(例如驱动喇叭来产生声音)，我们必须以模拟格式来处理这些信号。
模拟的应用领域
CMOS vs. Bipolar
在微电子设计中，模拟和数字电路设计处理的功能大不相同。CMOS(互补金属氧化半导体)对数字集成电路而言是理想的制程。VLSI(超大规模集成电路)随着CMOS技术的成熟而大展身手，也促进了IC设计向高度整合的方向发展。传统上，模拟IC一般采用的是Bipolar双载子技术。以下对CMOS和Bipolar二者作一简单的比较:
● CMOS电路的功率消耗远小于Bipolar电路。但是，CMOS输出驱动的能力远低于Bipolar技术。
● 在VLSI设计中，功率消耗对电路非常重要，因为过高功率消耗会导致热散逸与电路可靠性发生问题。
● 对CMOS而言，有一个众所皆知的公式反映功率消耗与电路参数的关系: P=V2 f C。P代表功率消耗，V代表供应电压，f是切换频率，而C是寄生电容及负载电容的集合名词。很明显，供应电压愈低，功率消耗就愈少。
● 转换到CMOS制程开发，希望电压愈低愈好。同时，供应电压愈低，就可以让数字电路中的切换愈快，这是因为电路组件的体积愈小，就代表彼此之间的距离愈短。因此，在CMOS技术开发中的每一件事情都是朝低电压发展。
相比之下，低操作电压环境，对模拟设计而言是一大挑战。在模拟世界，最要紧的是信号噪声比(S/N Ratio)和失真。通常供应电压愈高，信号噪声比就愈好。虽然模拟电路可以在CMOS制程中设计，但是比起使用Bipolar，在效能上仍然有许多缺点，例如，输出驱动力、精确度、噪声等。
将模拟电路与数字电路整合在一起，并不是永远有效或高效率，所以我们总会看到数字信号处理核心芯片及AFE模拟前端(甚至是缆线驱动芯片)在象ADSL芯片组等系统芯片组中是分开的，目的就是为了达到最佳效能。
为了权衡Bipolar与CMOS制程两者结合上的障碍,BiCMOS技术便是针对此一课题因应而生，即发展出所谓混合模式(mixed mode)组件，它主要用来开发低电压电路，介接数字与模拟电路两端。不过，设计中的成本与复杂度问题带给生产厂商高度的挑战，对象美国国家半导体这家同时拥有数字与模拟开发实力的厂商来说，却能推动其展现其市场竞争力。
模拟技术最新突破及应用
随着制程的提升，Bipolar会是高效能模拟电路的唯一选择。美国国家半导体最新推出的VIP10制程便是一个纯Bipolar制程。VIP10
是美国国家半导体Bipolar制程技术的一项重大突破 (参看表 1)。Bipolar晶体管无论采用 NPN 还是 PNP 设计，均较其它晶体管更能为新一代的高效能、高速度放大器提供所需的卓越功能特色，例如高频宽传输、低功率消耗、低供电电压、较大的输出振幅、高输出电流以及低失真率等。美国国家半导体现正推出采用
VIP10 制程技术制造的全新系列 LMH 高速放大器。
总体而言，除了高效能模拟电路外，愈来愈多的模拟设计会转移到CMOS及 BiCMOS制程，作为混合信号产品的一部分。CMOS则会持续成为VLSI类以数字为主电路的领导技术。将数字模拟电路整合到单一芯片上，BiCMOS是极具未来性的技术，同时它不会牺牲掉模拟电路的效能，在此趋势下，市场上采用BiCMOS制程的组件产品相继出笼自可期待。
模拟有其不可取代性
A.今天的CMOS技术使微处理器具有巨大的处理能力，我们可以在一台PC上轻易地实现许多新的多媒体功能，但是我们必须在人类能真正感受到之前将所有数字信号转换为模拟格式。因此精密的模拟设计是必要的。
B.以数字主导的电路通常以低电压操作，模拟电路在这样地环境下对设计者带来设计上的挑战。使得精密的模拟电路设计变得非常有价值。
C.便携式设备变得普及，低功耗的模拟设计需要纯熟的模拟电路设计者。
模拟的应用领域
由于模拟信号为一种能依声音,光,热,位移或压力而改变振幅或频率的连续电信号,因此其应用范围极为广泛. 模拟电路建构区块便包括信号撷取及信号调节(麦克风，前置放大，滤波器)，资料转换区块(D/A，A/D，滤波器)，信号输出(音频放大器，视讯显示)及模拟ASSP。
以模拟产品线非常完整的美国国家半导体公司模拟事业部为例，共分为运算放大器,音频放大器,资料转换器,电源IC以及标准模拟等产品部门，由下列各部门主要产品线，以说明现行业界对模拟组件的发展重点。
● 放大器: 主要在运算放大器建置方块产品。有二种产品系列:低电压/低耗电运算放大器及高速运算放大器
● 音频: 主要在音频放大器IC，包括适用于便携式应用的Boomer音频放大器系列，以及适用于高功率输出的家庭音响系统--Overture系列
● 资料转换:主要在D/A、A/D转换器、温度感测IC和D/A-A/D、以及强化模拟前端的整合产品，如扫瞄器AFE IC等。
● 电源:主要用于电源供应的子系统IC上，包括线性及开关式电压稳压器及电压参考IC等。
● 标准模拟:处理来自上述部门的成熟模拟产品
再以美国国家半导体模拟技术的应用领域为例，其主要四大系统，包括:
● 便携式系统-笔记本电脑、PDA、手机等
● 显示器-TFT-LCD面板、TFT-LCD显示器、CRT显示器
● 通讯-STB(视讯转换器)、XDSL调制解调器
● 消费类-音响系统
http://www.national.com
|
|
