[讨论] 信息时代的模拟集成电路

随着信息技术及其产业的迅速发展，带动着当今社会进入到一个崭新的信息化时代。微电子技术是信息技术的核心技术，模拟集成电路（IC）又是微电子技术的核心技术之一，因而模拟IC成为信息时代的重要技术发展目标。 　　模拟IC包含了纯模拟信号处理功能的电路和A/D混合信号处理功能的电路。其技术范围涉及数据转换器（如A/D、D/A转换器等）、线性和非线性放大器（如运算放大器、射频放大器、对数放大器、电压比较器、模拟乘法器等）、电子开关和多路转换器、稳压电源调节器（如线性电压调节器、开关电源控制器等）及其它模拟IC（如驱动器、延迟线、传感器等）。模拟IC主要被用来对模拟信号完成采集、放大、比较、变换等功能，它和数字电路及A/D、D/A转换电路三者之间的关系，早在1986年就被美国加州大学的Paul.R.Gray教授提出的所谓“鸡蛋模型”作了形象描述，该模型把它们三者整体上视为一个鸡蛋，而把数字电路视为蛋黄，模拟电路视为蛋壳，A/D、D/A电路视为蛋清，三者既不相同，又是统一的有机整体。现实世界中的各种模拟信息经模拟IC采集、放大、变换等处理后，即可得到计算机或数字电路处理所需的信号，从而实现人们需要的信息产品。显然，模拟IC是模拟世界和数字化电子信息系统之间的桥梁。　　模拟IC在处理模拟信号时，除功率输出级外多数工作在小信号状态，信号频率往往从直流延伸到高频，其工作与数字电路处理信号时工作在开关状态明显不同。加上模拟IC品种繁多，功能复杂，性能差异巨大，因此，模拟IC在制作工艺、器件结构、电路架构等方面都有有别于数字电路的鲜明个性，主要表现在：模拟IC在整个线性工作区内需具备良好的电流放大特性、小电流特性、频率特性等；在设计中因技术特性的需要，常常考虑元器件布局的对称结构和元器件参数的彼此匹配形式；由于工艺技术的限制，设计时应尽量少用或不用电阻电容，特别是高阻值电阻和大容量电容；许多模拟电路要求功率输出，因而电源电压较高；设计自动化程度低，CAD工具和设计参数库精度高，工艺专用性强，工艺线品种变换频繁，工艺控制难，等等。所以，模拟IC的核心技术主要涉及到高速技术、高频技术、低噪声技术、高耐压技术、低功耗技术、大功率技术等。为满足种种技术要求，电路设计和工艺加工必须良好配合。 　　模拟IC的单片工艺技术主要发展有双极、BiCMOS、CMOS、SiGe，其中双极和BiCMOS工艺使用较普遍。随着CMOS技术水平的提高，在模拟与数字混合电路的加工工艺方面有向CMOS方向发展的趋势。模拟IC中，多数高速模拟IC的工艺水平为0.5微米左右，一般模拟IC的工艺水平为1～3微米，在先进工艺方面，已开发出0.1微米技术。 　　在器件方面，由于应用对模拟IC的要求千差万别，因此，不仅开发出十余大类的模拟IC产品，而且对各类模拟IC又都开发出数百、数千种产品，产品种类和性能水平应有尽有，可满足应用的不同需要。 　　其中，数据转换器是模拟和数字混合信号处理电路，它的模拟电路部分占芯片面积的50%以上。在数据转换器方面，8～14位1～80MHz高速A/D技术已很成熟，产品充足，也可见到16位以上30MHz以上的A/D转换器产品。同时在A/D转换器中不仅出现集成了多种功能的模拟IC,如多路转换器、仪器放大器、采/保放大器等A/D转换器子系统，而且还将不断把其它模拟IC和各种数字电路如DSP、存储器、CPU、I/O等集成在一起。数据转换器应用广泛，如（美国）国家半导体公司推出的高性能低功耗A/D转换器（如ADC10321,具有10位分辨率、20MHz采样速度、单电源工作），可广泛应用于数码复印机、数码相机、摄录一体化机、机顶盒、电缆调制解调器及CCD输入系统。放大器目前主要采用双极工艺制作，CMOS放大器尽管在功耗、尺寸方面具有优点，但价格太贵，应用受到限制。 在射频放大器方面，正采用SiGe双极技术，以满足应用的高性能要求。目前放大器正应用于各种手持式通信设备中，要求功耗低。ADI(模拟器件公司)的高性能放大器系列（如AD8350工作频率达到1200MHz，在250MHz时噪声系数为6.1dB，具有很高的动态范围、极好的线性度和共模抑制），可有效地应用于通信收发射机、通用增益放大系统、A/D缓冲器、高速数据接口驱动器等。ADI还研制出在带宽、功耗、失真和驱动能力等综合水平很高的放大器如AD8014，它是一种超高速放大器，具有400MHz－３dB带宽，4000Vms压摆率，24nS的建立时间，具有极低的电压和电流噪声，失真也低，可理想地应用于宽带信号处理。 　　电压调节器方面，ADI推出的接收机IF子系统AD6121中集成了电压调节器，它是一种动态范围很宽的IF放大器，是专门为CDMA（码分多址）系统应用设计的，可适用于2.9～4.2V的电池电源工作。Motorola推出的电压调节器系列，开关电流低，噪声低，静态电流极小，可在电池电源的额定电压下降到0.2V以内都能调整，很适合电池供电系统如蜂窝电话、无绳电话及长寿命电池供电的射频控制系统应用。 　　在国内，也已开发出线性和非线性放大器、数据转换器、接口电路及电压调节器等各类模拟IC，8～12位A/D转换器已实用化，但模拟IC在品种、数量、性能水平等方面都与国外有很大差距，赶上世界先进水平尚需艰苦努力。 　　据市场调查公司ICE的对世界IC市场发展走势统计表明，模拟IC的市场占IC产品总市场的份额为：1993年占16％(IC总市场为681.8亿美元)，1998年增加到17.5%(模拟IC市场达191亿美元)，到2002年仍将接近15%左右。可见，市场发展平稳，大大降低了生产厂家生产的不稳定性和风险性。 　　模拟IC的主要应用领域是消费类电子、通信、计算机、工业、汽车、军事电子系统。1991年，它们占模拟IC的市场份额分别为45、14、18、12、8和3％，总值87亿美元，1996年，随着通信的发展，其市场份额有所调整，市场份额分别为34、21、18、15、11和1％，总市场值为175亿美元。在新世纪，随着一些新的无线通信系统和视频应用的发展，通信领域的市场份额将继续扩大。模拟IC产品分为两大类，一类是市场上可以买到的商品，常称为标准产品，如放大器、接口电路、比较器、数据转换器、电压调整器等；另一类是市场上买不到而需向厂家定制的产品，如其它电路和特殊消费电路。在1991年和1998年，定制模拟IC产品的销售量占模拟IC总销售量的51%，标准产品占49%。在1991年定制模拟IC的销售额占模拟IC总销售额的63%，标准产品占37%；1998年定制模拟IC产品的销售额占模拟IC总销售额的69%，标准产品的销售额占31%。预计在未来几年内，它们将维持这种比例。模拟IC包括销售额和销售量在内的总市场在过去多年来一直发展平稳，随着通信、视频及Internet技术的高速发展，估计在21世纪初的几年内，模拟IC市场将继续平稳发展。 　　在工艺技术方面，由于数字化革命席卷全球，它所带来的影响是使IC走向更高的集成度、更低的功耗、更小的体积、更低的价格，将大大加速模拟与混合信号集成领域的发展进程，并使模拟与数字电路的制作紧密结合。因此，21世纪的模拟IC的单一的或有限的加工工艺难以满足系统技术发展要求，即使在单片工艺技术方面，也必须拥有硅CMOS、 　　BiCMOS、互补双极（CB）、双极CMOS-DMOS(BCD)及SiGe双极等多种加工工艺同时存在。BiCMOS技术是D/A混合信号处理电路常采用的技术；互补双极技术是高速线性电路的良好制作技术；CMOS技术是低功耗模拟IC常采用的技术；BCD技术是制作功率IC的选择技术；SiGe技术是制作高性能射频放大器的潜在优势技术，可与GaAs技术相竞争 另外，在制作抗恶劣环境应用的模拟IC方面有潜力的是SiC技术或金刚石技术，但远未成熟；在制作微波、毫米波模拟IC时宜采用GaAs或其它化合物半导体技术。在加工尺寸方面，高速模拟IC的典型加工尺寸将从现有的0.5mm发展到0.25～0.18mm。另外，混合集成(HIC)技术和多芯片模块集成(MCM)技术，是单片集成技术难以达到整机或系统要求时采用的补充集成技术，它们将是与单片技术同时并存的不可缺少的技术，在21世纪，它们必将同时发展。MEMS是平面集成技术不能实现系统集成而出现的三维结构式的新集成技术，这种技术可实现机械零件与微电子器件集成为一个整体系统的技术，这种技术已在模拟IC领域实现RFMEMS器件，如电容、电感、开关、谐振器、滤波器等，有望单片实现通信系统中收发射机射频前端系统，因而RFMEMS技术将是21世纪模拟IC领域的热点发展技术之一。 　　SoC(系统芯片)是IC技术的总体发展趋势，在21世纪，模拟IC系统中将会融入更多的数字功能电路，即将把更多的数字功能电路集成到模拟电路系统中，如在数据转换器中将集成微处理器、DSP、接口、I/O电路、存储器等功能电路，使模拟信息的数字化能由这种SoC模拟IC系统直接完成，预计SoC模拟IC系统将在21世纪普遍应用于人们生活中的每一个方面。 　　模拟IC种类繁多，其性能要求各不相同，一般高速放大器将继续向更高速度、更低噪声、更大动态范围等方向发展；一般数据转换器将继续向更高速度、更高精度等方向发展；一般功率放大器将继续向更大功率、更高效率方向发展；低功耗电路特别是便携式设备应用电路将继续向更低功耗、更低电源电压方向发展。总之，随着系统或整机的发展，各类模拟IC将不断提高其综合性能水平以满足它们的性能需求，同时系统或整机的技术要求反过来又推动着模拟IC技术和性能水平的不断提高。 　　我国改革开放以来，信息产品制造业已经形成了一个比较完整的工业生产体系。面对21世纪的挑战，我国将继续采取大力支持信息产业发展的国策并营造更加良好的技术开发环境，给IC的发展带来了极好机遇。我们一定要抓住机遇，不断把我国的模拟IC技术推向新水平，为信息化社会的发展创建新功。