信息時(shí)代的模擬集成電路

隨著(zhù)信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，帶動(dòng)著(zhù)當今社會(huì )進(jìn)入到一個(gè)嶄新的信息化時(shí)代。微電子技術(shù)是信息技術(shù)的核心技術(shù)，模擬集成電路（IC）又是微電子技術(shù)的核心技術(shù)之一，因而模擬IC成為信息時(shí)代的重要技術(shù)發(fā)展目標。

模擬IC包含了純模擬信號處理功能的電路和A/D混合信號處理功能的電路。其技術(shù)范圍涉及數據轉換器（如A/D、D/A轉換器等）、線(xiàn)性和非線(xiàn)性放大器（如運算放大器、射頻放大器、對數放大器、電壓比較器、模擬乘法器等）、電子開(kāi)關(guān)和多路轉換器、穩壓電源調節器（如線(xiàn)性電壓調節器、開(kāi)關(guān)電源控制器等）及其它模擬IC（如驅動(dòng)器、延遲線(xiàn)、傳感器等）。

模擬IC主要被用來(lái)對模擬信號完成采集、放大、比較、變換等功能，它和數字電路及A/D、D/A轉換電路三者之間的關(guān)系，早在1986年就被美國加州大學(xué)的Paul.R.Gray教授提出的所謂“雞蛋模型”作了形象描述，該模型把它們三者整體上視為一個(gè)雞蛋，而把數字電路視為蛋黃，模擬電路視為蛋殼，A/D、D/A電路視為蛋清，三者既不相同，又是統一的有機整體?，F實(shí)世界中的各種模擬信息經(jīng)模擬IC采集、放大、變換等處理后，即可得到計算機或數字電路處理所需的信號，從而實(shí)現人們需要的信息產(chǎn)品。顯然，模擬IC是模擬世界和數字化電子信息系統之間的橋梁。

模擬IC在處理模擬信號時(shí)，除功率輸出級外多數工作在小信號狀態(tài)，信號頻率往往從直流延伸到高頻，其工作與數字電路處理信號時(shí)工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)明顯不同。加上模擬IC品種繁多，功能復雜，性能差異巨大，因此，模擬IC在制作工藝、器件結構、電路架構等方面都有有別于數字電路的鮮明個(gè)性，主要表現在：模擬IC在整個(gè)線(xiàn)性工作區內需具備良好的電流放大特性、小電流特性、頻率特性等；在設計中因技術(shù)特性的需要，常?？紤]元器件布局的對稱(chēng)結構和元器件參數的彼此匹配形式；由于工藝技術(shù)的限制，設計時(shí)應盡量少用或不用電阻電容，特別是高阻值電阻和大容量電容；許多模擬電路要求功率輸出，因而電源電壓較高；設計自動(dòng)化程度低，CAD工具和設計參數庫精度高，工藝專(zhuān)用性強，工藝線(xiàn)品種變換頻繁，工藝控制難，等等。所以，模擬IC的核心技術(shù)主要涉及到高速技術(shù)、高頻技術(shù)、低噪聲技術(shù)、高耐壓技術(shù)、低功耗技術(shù)、大功率技術(shù)等。為滿(mǎn)足種種技術(shù)要求，電路設計和工藝加工必須良好配合。

模擬IC的單片工藝技術(shù)主要發(fā)展有雙極、BiCMOS、CMOS、SiGe，其中雙極和BiCMOS工藝使用較普遍。隨著(zhù)CMOS技術(shù)水平的提高，在模擬與數字混合電路的加工工藝方面有向CMOS方向發(fā)展的趨勢。模擬IC中，多數高速模擬IC的工藝水平為0.5微米左右，一般模擬IC的工藝水平為1～3微米，在先進(jìn)工藝方面，已開(kāi)發(fā)出0.1微米技術(shù)。

在器件方面，由于應用對模擬IC的要求千差萬(wàn)別，因此，不僅開(kāi)發(fā)出十余大類(lèi)的模擬IC產(chǎn)品，而且對各類(lèi)模擬IC又都開(kāi)發(fā)出數百、數千種產(chǎn)品，產(chǎn)品種類(lèi)和性能水平應有盡有，可滿(mǎn)足應用的不同需要。

其中，數據轉換器是模擬和數字混合信號處理電路，它的模擬電路部分占芯片面積的50%以上。在數據轉換器方面，8～14位1～80MHz高速A/D技術(shù)已很成熟，產(chǎn)品充足，也可見(jiàn)到16位以上30MHz以上的A/D轉換器產(chǎn)品。同時(shí)在A/D轉換器中不僅出現集成了多種功能的模擬IC,如多路轉換器、儀器放大器、采/保放大器等A/D轉換器子系統，而且還將不斷把其它模擬IC和各種數字電路如DSP、存儲器、CPU、I/O等集成在一起。數據轉換器應用廣泛，如（美國）國家半導體公司推出的高性能低功耗A/D轉換器（如ADC10321,具有10位分辨率、20MHz采樣速度、單電源工作），可廣泛應用于數碼復印機、數碼相機、攝錄一體化機、機頂盒、電纜調制解調器及CCD輸入系統。放大器目前主要采用雙極工藝制作，CMOS放大器盡管在功耗、尺寸方面具有優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格太貴，應用受到限制。

在射頻放大器方面，正采用SiGe雙極技術(shù)，以滿(mǎn)足應用的高性能要求。目前放大器正應用于各種手持式通信設備中，要求功耗低。ADI(模擬器件公司)的高性能放大器系列（如 AD8350工作頻率達到1200MHz，在250MHz時(shí)噪聲系數為6.1dB，具有很高的動(dòng)態(tài)范圍、極好的線(xiàn)性度和共模抑制），可有效地應用于通信收發(fā)射機、通用增益放大系統、A/D緩沖器、高速數據接口驅動(dòng)器等。ADI還研制出在帶寬、功耗、失真和驅動(dòng)能力等綜合水平很高的放大器如AD8014，它是一種超高速放大器，具有400MHz－３dB帶寬，4000Vms 壓擺率，24nS的建立時(shí)間，具有極低的電壓和電流噪聲，失真也低，可理想地應用于寬帶信號處理。

電壓調節器方面，ADI推出的接收機IF子系統AD6121中集成了電壓調節器，它是一種動(dòng)態(tài)范圍很寬的IF放大器，是專(zhuān)門(mén)為CDMA（碼分多址）系統應用設計的，可適用于2.9～4.2V的電池電源工作。Motorola推出的電壓調節器系列，開(kāi)關(guān)電流低，噪聲低，靜態(tài)電流極小，可在電池電源的額定電壓下降到0.2V以?xún)榷寄苷{整，很適合電池供電系統如蜂窩電話(huà)、無(wú)繩電話(huà)及長(cháng)壽命電池供電的射頻控制系統應用。

在國內，也已開(kāi)發(fā)出線(xiàn)性和非線(xiàn)性放大器、數據轉換器、接口電路及電壓調節器等各類(lèi)模擬IC，8～12位A/D轉換器已實(shí)用化，但模擬IC在品種、數量、性能水平等方面都與國外有很大差距，趕上世界先進(jìn)水平尚需艱苦努力。

據市場(chǎng)調查公司ICE的對世界IC市場(chǎng)發(fā)展走勢統計表明，模擬IC的市場(chǎng)占IC產(chǎn)品總市場(chǎng)的份額為：1993年占16％(IC總市場(chǎng)為681.8億美元)，1998 年增加到17.5%(模擬IC市場(chǎng)達191億美元)，到2002年仍將接近15%左右?？梢?jiàn)，市場(chǎng)發(fā)展平穩，大大降低了生產(chǎn)廠(chǎng)家生產(chǎn)的不穩定性和風(fēng)險性。

模擬IC的主要應用領(lǐng)域是消費類(lèi)電子、通信、計算機、工業(yè)、汽車(chē)、軍事電子系統。1991年，它們占模擬IC的市場(chǎng)份額分別為45、14、18、12、8和3％，總值87億美元，1996年，隨著(zhù)通信的發(fā)展，其市場(chǎng)份額有所調整，市場(chǎng)份額分別為34、21、18、15、11和1％，總市場(chǎng)值為175億美元。在新世紀，隨著(zhù)一些新的無(wú)線(xiàn)通信系統和視頻應用的發(fā)展，通信領(lǐng)域的市場(chǎng)份額將繼續擴大。

模擬IC產(chǎn)品分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是市場(chǎng)上可以買(mǎi)到的商品，常稱(chēng)為標準產(chǎn)品，如放大器、接口電路、比較器、數據轉換器、電壓調整器等；另一類(lèi)是市場(chǎng)上買(mǎi)不到而需向廠(chǎng)家定制的產(chǎn)品，如其它電路和特殊消費電路。在1991年和1998年，定制模擬IC產(chǎn)品的銷(xiāo)售量占模擬IC總銷(xiāo)售量的51%，標準產(chǎn)品占49%。在1991年定制模擬IC的銷(xiāo)售額占模擬IC總銷(xiāo)售額的63%，標準產(chǎn)品占37%；1998年定制模擬IC產(chǎn)品的銷(xiāo)售額占模擬IC總銷(xiāo)售額的69%，標準產(chǎn)品的銷(xiāo)售額占31%。預計在未來(lái)幾年內，它們將維持這種比例。模擬IC包括銷(xiāo)售額和銷(xiāo)售量在內的總市場(chǎng)在過(guò)去多年來(lái)一直發(fā)展平穩，隨著(zhù)通信、視頻及Internet技術(shù)的高速發(fā)展，估計在21世紀初的幾年內，模擬IC市場(chǎng)將繼續平穩發(fā)展。

在工藝技術(shù)方面，由于數字化革命席卷全球，它所帶來(lái)的影響是使IC走向更高的集成度、更低的功耗、更小的體積、更低的價(jià)格，將大大加速模擬與混合信號集成領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)程，并使模擬與數字電路的制作緊密結合。因此，21世紀的模擬IC的單一的或有限的加工工藝難以滿(mǎn)足系統技術(shù)發(fā)展要求，即使在單片工藝技術(shù)方面，也必須擁有硅CMOS、

BiCMOS、互補雙極（CB）、雙極CMOS-DMOS(BCD)及SiGe雙極等多種加工工藝同時(shí)存在。BiCMOS技術(shù)是D/A混合信號處理電路常采用的技術(shù)；互補雙極技術(shù)是高速線(xiàn)性電路的良好制作技術(shù)；CMOS技術(shù)是低功耗模擬IC常采用的技術(shù)；BCD技術(shù)是制作功率IC的選擇技術(shù)；SiGe技術(shù)是制作高性能射頻放大器的潛在優(yōu)勢技術(shù)，可與GaAs技術(shù)相競爭。

另外，在制作抗惡劣環(huán)境應用的模擬IC方面有潛力的是SiC技術(shù)或金剛石技術(shù)，但遠未成熟；在制作微波、毫米波模擬IC時(shí)宜采用GaAs或其它化合物半導體技術(shù)。在加工尺寸方面，高速模擬IC的典型加工尺寸將從現有的0.5mm發(fā)展到0.25～0.18mm。另外，混合集成(HIC)技術(shù)和多芯片模塊集成(MCM)技術(shù)，是單片集成技術(shù)難以達到整機或系統要求時(shí)采用的補充集成技術(shù)，它們將是與單片技術(shù)同時(shí)并存的不可缺少的技術(shù)，在21世紀，它們必將同時(shí)發(fā)展。MEMS是平面集成技術(shù)不能實(shí)現系統集成而出現的三維結構式的新集成技術(shù)，這種技術(shù)可實(shí)現機械零件與微電子器件集成為一個(gè)整體系統的技術(shù)，這種技術(shù)已在模擬IC領(lǐng)域實(shí)現RF MEMS器件，如電容、電感、開(kāi)關(guān)、諧振器、濾波器等，有望單片實(shí)現通信系統中收發(fā)射機射頻前端系統，因而RF MEMS技術(shù)將是21世紀模擬IC領(lǐng)域的熱點(diǎn)發(fā)展技術(shù)之一。

SoC(系統芯片)是IC技術(shù)的總體發(fā)展趨勢，在21世紀，模擬IC系統中將會(huì )融入更多的數字功能電路，即將把更多的數字功能電路集成到模擬電路系統中，如在數據轉換器中將集成微處理器、DSP、接口、I/O電路、存儲器等功能電路，使模擬信息的數字化能由這種SoC模擬IC系統直接完成，預計SoC模擬IC系統將在21世紀普遍應用于人們生活中的每一個(gè)方面。

模擬IC種類(lèi)繁多，其性能要求各不相同，一般高速放大器將繼續向更高速度、更低噪聲、更大動(dòng)態(tài)范圍等方向發(fā)展；一般數據轉換器將繼續向更高速度、更高精度等方向發(fā)展；一般功率放大器將繼續向更大功率、更高效率方向發(fā)展；低功耗電路特別是便攜式設備應用電路將繼續向更低功耗、更低電源電壓方向發(fā)展?？傊?，隨著(zhù)系統或整機的發(fā)展，各類(lèi)模擬IC將不斷提高其綜合性能水平以滿(mǎn)足它們的性能需求，同時(shí)系統或整機的技術(shù)要求反過(guò)來(lái)又推動(dòng)著(zhù)模擬IC技術(shù)和性能水平的不斷提高。

我國改革開(kāi)放以來(lái)，信息產(chǎn)品制造業(yè)已經(jīng)形成了一個(gè)比較完整的工業(yè)生產(chǎn)體系。面對21世紀的挑戰，我國將繼續采取大力支持信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的國策并營(yíng)造更加良好的技術(shù)開(kāi)發(fā)環(huán)境，給IC的發(fā)展帶來(lái)了極好機遇。我們一定要抓住機遇，不斷把我國的模擬IC技術(shù)推向新水平，為信息化社會(huì )的發(fā)展創(chuàng )建新功。 ■