红花更要绿叶衬 数字时代模拟也精彩

2008-05-18 22:03:38来源: 电子工程专辑

  从苹果的iPod音乐播放器到摩托罗拉的V3手机,从任天堂Wii游戏机再到苹果的iPhone手机,近年来,一件件具有开创性甚或是颠覆性的数字消费产品不断冲击着业界的神经和消费者的眼球。甫一问世,这些热门产品便成为各大反向工程公司和市场研究公司争相拆解分析的对象。在对这些产品的物料清单(BOM)进行分析时,大部分的案例都将重点放在了采用了哪些主处理器和存储器等数字芯片上。毫无疑问,在这场数字时代的盛宴中,数字芯片成为了业界瞩目的焦点。

  与数字IC的光鲜夺目相比,模拟芯片则没有那么起眼,甚至显得有点默默无闻了。按照美国半导体行业协会(SIA)旗下的2007年世界半导体贸易统计数字专刊(WSTS)的分类,模拟芯片主要分为两大类,一类是标准线性模拟芯片,其中主要包括放大器、接口电路、数据转换器、电源管理芯片以及射频芯片等;而另一类是专用模拟芯片,亦即面向消费、计算机及外设、通信、汽车,以及工业和医疗等专用应用领域的芯片。

  总的来看,模拟芯片种类繁多,应用范围广泛,价格差异大,更新换代的频率也不明显,某半导体厂商20多年前推出的一款模数转换芯片(ADC)甚至到今天都还可以接受订单。不过,由于终羰产品生命周期的缩短以及竞争压力的增大,模拟功能被越来越多的集成到更为复杂的单芯片电路中。虽然模拟市场未来仍将继续增长,但一般预计,其增速在所在半导体器件中将属于相对较慢之列。

  但是,即便数字IC的性能再优异,如果没有模拟IC的搭配,就无法充分发挥数字IC的性能优势,甚至也不能构成完整的数字产品。在数字系统中,模拟芯片一直忠实地执行着将现实世界中的声、光、电、力等模拟信号转换为数字世界可以处理的“0”和“1”等数字信号,并在经过一定的信号处理流程后,又将这些数字信号转换为能够被现实世界中的用户接受和理解的模拟信号。特别是在用户体验越来越受到重视的今天,模拟IC作用就显得更加突出。无怪乎近年来,几乎是在数字IC风生火起的同时,各大主流模拟半导体供应商不约而同地玩起了“高性能模拟”的“噱头”。

  解读高性能模拟

  虽然几乎所有主流半导体厂商都在渲染“高性能模拟”,但什么才是高性能模拟呢?一般而言,高性能模拟芯片应该具备高速度、高精度和高电源效率,而且应该在宽广的温度范围内性能仍能保持稳定和可靠。有业内人士指出,高性能模拟就应该以性能取胜,以性能体现自身价值。

  在提高模拟IC的性能方面,业内厂商一直不遗余力。例如,在运算放大器方面,根据不同的应用需求,已经演化出通用型、低电压/低功耗型、高速型和高精度型。其中,以高精度运算放大器为例,这类运放一般是指失调电压低于1mV的运放。而在放大器领域市场占有率最高的德州仪器(TI)公司,近期就推出了一款高精度的运放—OPA211。该器件可提供100μV(即0.1mV)的失调电压、0.2μV/℃失调电压漂移以及不足1μs的建立时间,非常适合驱动数据采集系统中的高精度模数转换器。OPA211是一款双极输入运算放大器,由于双极运算放大器在降低失调电压误差方面表现出色,非常适合信号源阻抗较低的应用。

  又如,在直接数字频率合成器方面,美国模拟器件公司(ADI)近期也推出一款新产品-AD9912,面向测试与测量设备、无线基站以及安全通信设备等应用。AD9912是一款1GSPS(每秒10亿次采样)直接数字频率合成器,内置14位数模转换器(DAC),对输出高达400MHz信号具有3.6μHz调谐分辨率。该芯片提供了前所未有的无杂散动态范围(SFDR)性能,其信号输出高达400mHz,而功耗不超过1,000mW。ADI称,这种新的性能的实现,是因为采用了ADI具有自主IP的“杂波抑制”通道,使两个最大的谐波杂散降低高达10dB。这简化了设计,更使设计人员在频率分配方面能够花费更少的时间。

  对于“高性能模拟”而言,除了理所当然地要在性能指标上不断下功夫之外,有业内人士认为,还应当在产品可靠性、技术支持、准时交货和客户服务等方面做好文章。也有业内人士指出,所谓的“高性能模拟”,就是要能给设计人员在整个产品的设计过程中都带来高品质的产品。

  另外,TI的高性能模拟产品亚洲区市场开发经理Jackie Wu坦承,虽然如今模拟IC的性能指标不断创造新高,但其在架构上并没有大的突破;相应的是,工艺技术对于“高性能模拟”而言,显得非常重要。


图2:TI公司HDTV AV框图

  一般而言,高性能模拟工艺的推出和采用会比数字工艺晚约2个CMOS世代。举例来说,对于数字芯片来说,许多领先厂商已经在采用65纳米工艺进行量产;而对于模拟芯片来说,目前采用比65纳米晚两代的130纳米工艺已经属于比较先进。对于同时生产数字IC和模拟IC的半导体供应商来说,先进的数字CMOS工艺正是先进模拟工艺的起点。如前文所提及的TI OPA211高精度运算放大器,就是采用TI最新、最先进的BiCom3HV工艺生产的。该工艺就是TI率先将硅锗(SiGe)工艺与CMOS工艺相融合的36V工业工艺,具有高速度、低噪声和低功耗等特性。其晶体管速度较前代技术得到显著提高。出色的晶体管匹配与高精度硅铬(SiCr)电阻器提高了精准度,扩大了动态范围,实现了整个工作温度范围内的高稳定性。

  总而言之,“高性能模拟”首先就应当具有较高或极高的性能指标,除此之外,不断采用更先进的模拟工艺技术,保障产品的可靠性,以及提供更好的技术支持、更准时的交货和客户服务,都是“高性能模拟”的重要意涵。

  朝更高集成度、软件可编程与更纤巧封装发展

  在模拟IC的发展趋势上,昂宝电子(上海)有限公司总裁陈志樑博士指出,当前模拟IC的发展趋势与数字IC发展趋势出现了更多的交集,也就是集成度越来越高,外形尺寸却越来越小。此外,便携产品要求模拟IC之间有更多的“通信”。展望未来,预计将有更多的数字功能被增添到传统的模拟芯片中,在单个器件中包含多种功能。

  另一方面,从数字SoC的发展趋势来看,在主芯片之外,其集成的外围模拟等功能也越来越多。但是,在数字SoC的设计过程中,并非所有模拟功能都能够很容易的与高性能DSP或其它处理器集成,因为高频数字逻辑电路会产生很强的噪声,会对模拟信号造成干扰。另外,虽然先进的模拟电压已经降得越来越低,但仍然很难达到数字内核电压的水准。在这种情况下,一般厂商的设计策略是不会将所有模拟功能加入一颗数字SoC,而是将不容易与高速数字功能的模拟功能尽量集成到第二颗组件;这颗组件会以模拟功能为主,但也会包括控制所需的部分逻辑电路和内存。

  总的来看,受到系统性能需求的影响,最好的模拟功能通常会以低于SoC的程度进行集成,然后再利用这些器件支持集成度更高的数字。常见的模拟IC中,从放大器到数所转换器再到电源管理芯片等,都在不断提高集成度。

  以放大器为例,为满足日益丰富的应用需求,放大器不再只是单一的产品,而是与其它器件集成在一起以提升性能与产品价值。如在视频放大器中整合滤波、多路技术以及DC恢复等功能。而且,单一的放大器也需要集成更多特性。这样不仅可以降低系统误差,还降低了设计人员的设计复杂性,使其无须经常针对某种应用修改数十个参数以优化放大器的性能和功能。

  如ADI近期推出了一款零漂移的数字可设定增益仪表放大器AD8231,专门面向仪器仪表和工业设备应用。它采用了一种三运算放大器的仪表体系结构,集成了自动稳零放大器以便保证在整个工作温度范围和工作年限内仅有50nV/℃的电压失调,从而增强了可靠性。AD8231还有内置的增益设定电阻器,可以将增益系数温度漂移限制到10ppm/℃。

  在数据转换器方面,同样也在不断集成更多功能。例如,凌力尔特推出了4通道增量累加模数转换器(ADC)-LTC2492。该器件集成了一个具有1/30℃分辨率和2℃绝对准确度的内部温度传感器和一个新颖的前端设计。又如,TI近期推出了内含高精度参考电压源的全新高精度数模转换器(DAC)系列中的首款产品DAC8560。该器件是一种16位单通道DAC,集成了温度漂移为2ppm/℃与初始精度为±0.004%的内部参考电压源。TI称,高精度DAC与出色的参考电压源的结合使DAC8560成为了一种集合灵活性与易用性为一体的解决方案,非常适用于便携式仪表、光网络、工业过程控制、机器与运动控制以及数据采集系统中的闭环控制应用。该器件还集成了一种上电复位电路,可确保DAC的输出功率在零量程以上,并可保持这一水平直到验证码写入该器件。

  此外,与数字IC相比,模拟IC的参数相对比较固定,其功能也相对固定不变。但如今,半导体厂商也在越来越多地为模拟IC增添软件可编程能力。如ADI的AD8231具有软件可设定的增益系数,包括1、2、4、8、16、32、64和128,可以通过一个易用的三引脚接口进行设定。AD8231一旦仪表放大器设计到系统中后,可以采用数字逻辑设定增益,数字逻辑允许用户反复调整增益。

  凌力尔特推出了16位、4路电压输出DAC LTC2704-16,该器件具有6种软件可编程输出电压范围。4个DAC每个都可通过3线SPI兼容串行接口编程为4种双极性输出范围之一(±10V、±5V、-2.5V或+7.5V)或两种单极性输出范围之一(0V至5V或0V至10V),非常适用于工业和过程控制应用、仪表以及自动测试设备。

  而在改进模拟IC性能指标、提高产品集成度和增加软件可编程能力的同时,为了适当便携等应用对IC占位面积越来越严苛的要求,业内厂商也不断采用更先进的封装技术,推出占位面积更小的芯片,从而为设计人员增添更加的设计灵活性,方便他们开发出在市场上更具竞争力的产品。

  如凌力尔特推出的LTC2450据称是业界最小的16位ADC,它采用纤巧的DFN封装,尺寸仅为2mm×2mm,比最接近的同类产品尺寸小一半以上。这样带来的好处是LTC2450可以直接放置在传感器旁边,使得产生的读数准确得多。凌力尔特的产品行销工程师Steve Logan强调:“这种小型封装还允许设计人员将这类ADC应用在以前无法使用的地方,而多个IC紧密排列的服务器电路板就是这样一个例子,在在电路板上有一些器件非常密集的地方,人们需要测量这些地方的温度。”

  一般情况下,芯片封装尺寸是裸片尺寸的1.2倍。业内人士指出,封装技术的下一步是晶圆级封装(WLP),这种技术利用置于裸片顶部的焊接点,将裸片与PCB连接在一起。该技术消除了焊线,并且缩短了敏感参考节点的长度,而且封装尺寸与裸片几乎同样大小,实现了真正的芯片级封装(CSP),预计可为设计人员提供更高的灵活性。

  产业集中度低,厂商竞争策略各异

  根据市场研究公司iSuppli的预计,得益于手机、PC和网络设备需求的增长,2007年全球模拟IC营收预计达到475亿美元,相比2006年增长10.1%。不过,在这么大的一块市场蛋糕中,争食的半导体厂商为数非常之多。尽管没有全球共有多少家模拟IC供应商的数据,但在资料显示,仅就模拟IC中的电源管理而言,供应商就有100多家。这在数字IC领域,是不可想象的。例如,在常见的CPU、DSP和FPGA领域,最大的一家或前两大供应商往往就会占据大部分的份额。

  用具体的数据来描述模拟市场的相对分散性也许更为贴切。根据市场研究公司Gartner Dataquest对2005年全球标准模拟IC市场的统计,从标准模拟IC排行榜中,TI高居榜首,但其份额也不过是15%,远不及它在DSP领域的压倒式领先地位;紧随其后的分别是ADI(13%)、国半(11%)、美信(9%)和凌力尔特(7%),排名第六至十的供应商包括安森美、Intersil、意法半导体、飞兆半导体和国际整流器,它们的份额都不超过3%;除了前十名,剩下的还有32%的份额被掌控在其它的大部分厂商之中。

  由此看来,模拟IC领域的产业集中度较低,虽然欧美厂商在其中占据着主导地位,但也会后来者及新进者留下了不少机会。凭借贴近全球主流消费电子系统厂商的优势,日韩厂商以及大中华地区的厂商也在不断向这一领域发起冲击。相应的,各个地区厂商的竞争策略也体现出差异。

  例如,欧美厂商的技术积累历史较长,拥有先进的工艺技术和制造工厂,其产品线非常广泛。因此,在价格未必能占优势的条件下,欧美厂商常常引领着模拟IC的性能竞赛,积极开发和采用先进的工艺技术,并常常强调它们能够针对客户的某种应用提供客户所需的完整产品线,为客户设计提供更大的方便和保障。如TI的Jackie Wu强调,中国某医疗电子设备领导厂商的一款医疗设备整个信号链都采用的是TI提供的产品。此外,TI等领导厂商也常常针对手机、工业和医疗等应用推出完整的产品线。

  而依托台湾地区PC系统厂商的强劲实力、晶圆代工厂在全球占据统治地位,以及贴近中国大陆市场的优势,台湾地区的模拟IC厂商近年来也纷纷兴起。由于在所有标准模拟IC之中,电源管理IC的需求最为旺盛,以及从选择重点突破等业务策略考虑,据统计,台资模拟IC厂商中约有2/3专注于电源管理IC,并且形成了较强的实力。其中不乏有实力渐强者逐渐威胁到欧美传统厂商的地位,导致引发欧美厂商挑起的专利侵权诉讼之忧,甚至是被欧美厂商收归其下,如崇贸科技被飞兆半导体收购就是其中一例。

  除了台湾地区厂商,在贴近本地市场及能够为本地客户提供更及时服务的优势依托下,中国大陆以海外留学归国人员为主导的模拟IC设计公司也纷纷涌现。他们一般也重点选择电源管理IC作为突破口,但也不乏进军放大器、数据转换器等标准模拟IC,以及射频IC等领域的例子。

  不管是在欧美半导体厂商之前,还是在所有模拟半导体厂商之前,推出与竞争对手引脚兼容的产品的现象颇为普遍。市场上常常可以看到某半导体厂商就某款或某些模拟芯片列出与竞争对手同类产品的性能参数对比,强调达到或超过对手产品的水准,以此吸引客户选用。不过,一位半导体业内人士指出,日本和台湾等地区厂商的这类对比中,常常会有一些微妙之处,因为这类厂商对进行性能参数对比时,常常也指出了可能会让人忽视的一点,就是其性能参数是在25℃温度环境下所测出的,而所选择的欧美竞争对手的产品参数也是以25℃为准,而没有进行全温度范围内的性能参数对比,否则真正的差距就会显现出来,甚至许多日本和台湾等地区厂商的一些产品根本就只是针对25℃温度条件进行设计的,其在其它温度条件下的性能表现得不到保证,其价格的相对占优,也往往是以减少相关测试投入为代价的,而对提高最终客户的产品品质并无助益。

关键字:BOM  模数转换  高性能模拟  输入  双极  失调

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/ZHZX/200805/article_813.html
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