信息時代的模擬集成電路

隨著信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，帶動著當(dāng)今社會進入到一個嶄新的信息化時代。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成為信息時代的重要技術(shù)發(fā)展目標(biāo)。

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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（如A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等）、線性和非線性放大器（如運算放大器、射頻放大器、對數(shù)放大器、電壓比較器、模擬乘法器等）、電子開關(guān)和多路轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓電源調(diào)節(jié)器（如線性電壓調(diào)節(jié)器、開關(guān)電源控制器等）及其它模擬IC（如驅(qū)動器、延遲線、傳感器等）。

模擬IC主要被用來對模擬信號完成采集、放大、比較、變換等功能，它和數(shù)字電路及A/D、D/A轉(zhuǎn)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?nèi)哒w上視為一個雞蛋，而把數(shù)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(tǒng)一的有機整體?，F(xiàn)實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(shù)字電路處理所需的信號，從而實現(xiàn)人們需要的信息產(chǎn)品。顯然，模擬IC是模擬世界和數(shù)字化電子信息系統(tǒng)之間的橋梁。

模擬IC在處理模擬信號時，除功率輸出級外多數(shù)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(shù)字電路處理信號時工作在開關(guān)狀態(tài)明顯不同。加上模擬IC品種繁多，功能復(fù)雜，性能差異巨大，因此，模擬IC在制作工藝、器件結(jié)構(gòu)、電路架構(gòu)等方面都有有別于數(shù)字電路的鮮明個性，主要表現(xiàn)在：模擬IC在整個線性工作區(qū)內(nèi)需具備良好的電流放大特性、小電流特性、頻率特性等；在設(shè)計中因技術(shù)特性的需要，常?？紤]元器件布局的對稱結(jié)構(gòu)和元器件參數(shù)的彼此匹配形式；由于工藝技術(shù)的限制，設(shè)計時應(yīng)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(shè)計自動化程度低，CAD工具和設(shè)計參數(shù)庫精度高，工藝專用性強，工藝線品種變換頻繁，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。為滿足種種技術(shù)要求，電路設(shè)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CMOS技術(shù)水平的提高，在模擬與數(shù)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(shù)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，在先進工藝方面，已開發(fā)出0.1微米技術(shù)。

在器件方面，由于應(yīng)用對模擬IC的要求千差萬別，因此，不僅開發(fā)出十余大類的模擬IC產(chǎn)品，而且對各類模擬IC又都開發(fā)出數(shù)百、數(shù)千種產(chǎn)品，產(chǎn)品種類和性能水平應(yīng)有盡有，可滿足應(yīng)用的不同需要。

其中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是模擬和數(shù)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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，也可見到16位以上30MHz以上的A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品。同時在A/D轉(zhuǎn)換器中不僅出現(xiàn)集成了多種功能的模擬IC,如多路轉(zhuǎn)換器、儀器放大器、采/保放大器等A/D轉(zhuǎn)換器子系統(tǒng)，而且還將不斷把其它模擬IC和各種數(shù)字電路如DSP、存儲器、CPU、I/O等集成在一起。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用廣泛，如（美國）國家半導(dǎo)體公司推出的高性能低功耗A/D轉(zhuǎn)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(yīng)用于數(shù)碼復(fù)印機、數(shù)碼相機、攝錄一體化機、機頂盒、電纜調(diào)制解調(diào)器及CCD輸入系統(tǒng)。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，但價格太貴，應(yīng)用受到限制。

在射頻放大器方面，正采用SiGe雙極技術(shù)，以滿足應(yīng)用的高性能要求。目前放大器正應(yīng)用于各種手持式通信設(shè)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時噪聲系數(shù)為6.1dB，具有很高的動態(tài)范圍、極好的線性度和共模抑制），可有效地應(yīng)用于通信收發(fā)射機、通用增益放大系統(tǒng)、A/D緩沖器、高速數(shù)據(jù)接口驅(qū)動器等。ADI還研制出在帶寬、功耗、失真和驅(qū)動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的建立時間，具有極低的電壓和電流噪聲，失真也低，可理想地應(yīng)用于寬帶信號處理。

電壓調(diào)節(jié)器方面，ADI推出的接收機IF子系統(tǒng)AD6121中集成了電壓調(diào)節(jié)器，它是一種動態(tài)范圍很寬的IF放大器，是專門為CDMA（碼分多址）系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計的，可適用于2.9～4.2V的電池電源工作。Motorola推出的電壓調(diào)節(jié)器系列，開關(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以內(nèi)都能調(diào)整，很適合電池供電系統(tǒng)如蜂窩電話、無繩電話及長壽命電池供電的射頻控制系統(tǒng)應(yīng)用。

在國內(nèi)，也已開發(fā)出線性和非線性放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、接口電路及電壓調(diào)節(jié)器等各類模擬IC，8～12位A/D轉(zhuǎn)換器已實用化，但模擬IC在品種、數(shù)量、性能水平等方面都與國外有很大差距，趕上世界先進水平尚需艱苦努力。

據(jù)市場調(diào)查公司ICE的對世界IC市場發(fā)展走勢統(tǒng)計表明，模擬IC的市場占IC產(chǎn)品總市場的份額為：1993年占16％(IC總市場為681.8億美元)，1998 年增加到17.5%(模擬IC市場達191億美元)，到2002年仍將接近15%左右?？梢?，市場發(fā)展平穩(wěn)，大大降低了生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的不穩(wěn)定性和風(fēng)險性。

模擬IC的主要應(yīng)用領(lǐng)域是消費類電子、通信、計算機、工業(yè)、汽車、軍事電子系統(tǒng)。1991年，它們占模擬IC的市場份額分別為45、14、18、12、8和3％，總值87億美元，1996年，隨著通信的發(fā)展，其市場份額有所調(diào)整，市場份額分別為34、21、18、15、11和1％，總市場值為175億美元。在新世紀(jì)，隨著一些新的無線通信系統(tǒng)和視頻應(yīng)用的發(fā)展，通信領(lǐng)域的市場份額將繼續(xù)擴大。

模擬IC產(chǎn)品分為兩大類，一類是市場上可以買到的商品，常稱為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，如放大器、接口電路、比較器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、電壓調(diào)整器等；另一類是市場上買不到而需向廠家定制的產(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)品的銷售量占模擬IC總銷售量的51%，標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品占49%。在1991年定制模擬IC的銷售額占模擬IC總銷售額的63%，標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品占37%；1998年定制模擬IC產(chǎn)品的銷售額占模擬IC總銷售額的69%，標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的銷售額占31%。預(yù)計在未來幾年內(nèi)，它們將維持這種比例。模擬IC包括銷售額和銷售量在內(nèi)的總市場在過去多年來一直發(fā)展平穩(wěn)，隨著通信、視頻及Internet技術(shù)的高速發(fā)展，估計在21世紀(jì)初的幾年內(nèi)，模擬IC市場將繼續(xù)平穩(wěn)發(fā)展。

在工藝技術(shù)方面，由于數(shù)字化革命席卷全球，它所帶來的影響是使IC走向更高的集成度、更低的功耗、更小的體積、更低的價格，將大大加速模擬與混合信號集成領(lǐng)域的發(fā)展進程，并使模擬與數(shù)字電路的制作緊密結(jié)合。因此，21世紀(jì)的模擬IC的單一的或有限的加工工藝難以滿足系統(tǒng)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(yīng)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(yuǎn)未成熟；在制作微波、毫米波模擬IC時宜采用GaAs或其它化合物半導(dǎo)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(xiàn)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(tǒng)要求時采用的補充集成技術(shù)，它們將是與單片技術(shù)同時并存的不可缺少的技術(shù)，在21世紀(jì)，它們必將同時發(fā)展。MEMS是平面集成技術(shù)不能實現(xiàn)系統(tǒng)集成而出現(xiàn)的三維結(jié)構(gòu)式的新集成技術(shù)，這種技術(shù)可實現(xiàn)機械零件與微電子器件集成為一個整體系統(tǒng)的技術(shù)，這種技術(shù)已在模擬IC領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)RF MEMS器件，如電容、電感、開關(guān)、諧振器、濾波器等，有望單片實現(xiàn)通信系統(tǒng)中收發(fā)射機射頻前端系統(tǒng)，因而RF MEMS技術(shù)將是21世紀(jì)模擬IC領(lǐng)域的熱點發(fā)展技術(shù)之一。

SoC(系統(tǒng)芯片)是IC技術(shù)的總體發(fā)展趨勢，在21世紀(jì)，模擬IC系統(tǒng)中將會融入更多的數(shù)字功能電路，即將把更多的數(shù)字功能電路集成到模擬電路系統(tǒng)中，如在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shù)字化能由這種SoC模擬IC系統(tǒng)直接完成，預(yù)計SoC模擬IC系統(tǒng)將在21世紀(jì)普遍應(yīng)用于人們生活中的每一個方面。

模擬IC種類繁多，其性能要求各不相同，一般高速放大器將繼續(xù)向更高速度、更低噪聲、更大動態(tài)范圍等方向發(fā)展；一般數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將繼續(xù)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(xù)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(shè)備應(yīng)用電路將繼續(xù)向更低功耗、更低電源電壓方向發(fā)展?？傊?，隨著系統(tǒng)或整機的發(fā)展，各類模擬IC將不斷提高其綜合性能水平以滿足它們的性能需求，同時系統(tǒng)或整機的技術(shù)要求反過來又推動著模擬IC技術(shù)和性能水平的不斷提高。

我國改革開放以來，信息產(chǎn)品制造業(yè)已經(jīng)形成了一個比較完整的工業(yè)生產(chǎn)體系。面對21世紀(jì)的挑戰(zhàn)，我國將繼續(xù)采取大力支持信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的國策并營造更加良好的技術(shù)開發(fā)環(huán)境，給IC的發(fā)展帶來了極好機遇。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，為信息化社會的發(fā)展創(chuàng)建新功。 ■