承受業(yè)界強度的模擬器件
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作者：Joshua Israelsohn
時間：2005-09-20
來源：EDN電子設(shè)計技術(shù)
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承受業(yè)界強度的模擬器件
幾十年的工藝開發(fā)大多著眼于提高邏輯電路的密度與速度。最小門尺寸已經(jīng)從微米級縮小到100nm以下。然而，我們周圍的世界并沒有同步縮小，所以，對許多應(yīng)用來說，信號、噪聲和非周期事件仍與過去一樣大或者更大。作為I/O設(shè)計師該怎么辦？
要點
高電壓模擬工藝的改進能實現(xiàn)更高的集成度和模擬電路與數(shù)字電路的更有效混合。
隨著亞微米高電壓工藝進一步確立自己的地位，芯片制造商和 OEM 設(shè)計者將需要重新考慮功能分割的方法。
隨著工作電壓和信號電壓的提高，考慮保護電路以應(yīng)對異常情況和故障情況這一要求也在提高。
當(dāng)代高速邏輯器件供應(yīng)商都喜歡把自己的產(chǎn)品想像成技術(shù)領(lǐng)域的中心，也許他們是對的。但是，在信息到達這一中心之前，它必須由外圍的信息源傳送過來，而且經(jīng)處理的信息要成為有用的東西，還得返回到外圍信息源——這是一個由人、機器及自然環(huán)境組成的雜亂的非硅片世界。不管那些抱住數(shù)字內(nèi)核不放的供應(yīng)商的最熱切的愿望如何，自然世界——遠離方便而又熟悉的、偶然為自己利益服務(wù)的抽象概念——卻保持不變的模擬狀態(tài)。
毫無疑問，模擬 IC 技術(shù)正在走邏輯器件的老路，即更小的信號擺幅，更高的集成度，以及與普通 CMOS 及其變體工藝相關(guān)的規(guī)模經(jīng)濟。實際上，由于使用比最先進工藝老幾代的制造設(shè)備，模擬 IC 和 混合信號 IC業(yè)已受益于在這些已大幅降價的設(shè)備上實現(xiàn)高產(chǎn)的低電壓工藝，從而進一步降低了生產(chǎn)成本。于是，數(shù)伏電壓的模擬信號工藝取得了巨大的商業(yè)成功，并使那些在CMOS IC 技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用這種模擬工藝的公司有了深刻的印象。
盡管低電壓信號工藝是經(jīng)濟的，但這一技術(shù)幾乎不適合于某種應(yīng)用的物理接口，因為這種接口規(guī)定了模擬 I/O 結(jié)構(gòu)的電氣條件。因此，盡管工業(yè)應(yīng)用能代表與可靠的接口電路相關(guān)的要求和設(shè)計挑戰(zhàn)，但在測量儀器、醫(yī)療電子、汽車系統(tǒng)、通信與消費電子等多種多樣的環(huán)境中，仍會發(fā)生類似的問題。然而，直至不久前，此類應(yīng)用大多數(shù)依賴于演進多年但卻幾乎不大偏離其演進軌道的半導(dǎo)體制造工藝。同時，驅(qū)使低電壓 IC 設(shè)計師采用更小幾何尺寸的經(jīng)濟動力可能對必須適應(yīng)大信號擺幅的芯片制造商不利（附文“小尺度的經(jīng)濟性”）。最近，一些主要的模擬信號半導(dǎo)體和混合信號半導(dǎo)體制造商已偏離了這一趨勢，開發(fā)出更緊湊的新工藝，并仍然保留I/O功能所需的可靠性。
要點
高電壓模擬工藝的改進能實現(xiàn)更高的集成度和模擬電路與數(shù)字電路的更有效混合。
隨著亞微米高電壓工藝進一步確立自己的地位，芯片制造商和 OEM 設(shè)計者將需要重新考慮功能分割的方法。
隨著工作電壓和信號電壓的提高，考慮保護電路以應(yīng)對異常情況和故障情況這一要求也在提高。
當(dāng)代高速邏輯器件供應(yīng)商都喜歡把自己的產(chǎn)品想像成技術(shù)領(lǐng)域的中心，也許他們是對的。但是，在信息到達這一中心之前，它必須由外圍的信息源傳送過來，而且經(jīng)處理的信息要成為有用的東西，還得返回到外圍信息源——這是一個由人、機器及自然環(huán)境組成的雜亂的非硅片世界。不管那些抱住數(shù)字內(nèi)核不放的供應(yīng)商的最熱切的愿望如何，自然世界——遠離方便而又熟悉的、偶然為自己利益服務(wù)的抽象概念——卻保持不變的模擬狀態(tài)。
毫無疑問，模擬 IC 技術(shù)正在走邏輯器件的老路，即更小的信號擺幅，更高的集成度，以及與普通 CMOS 及其變體工藝相關(guān)的規(guī)模經(jīng)濟。實際上，由于使用比最先進工藝老幾代的制造設(shè)備，模擬 IC 和 混合信號 IC業(yè)已受益于在這些已大幅降價的設(shè)備上實現(xiàn)高產(chǎn)的低電壓工藝，從而進一步降低了生產(chǎn)成本。于是，數(shù)伏電壓的模擬信號工藝取得了巨大的商業(yè)成功，并使那些在CMOS IC 技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用這種模擬工藝的公司有了深刻的印象。
盡管低電壓信號工藝是經(jīng)濟的，但這一技術(shù)幾乎不適合于某種應(yīng)用的物理接口，因為這種接口規(guī)定了模擬 I/O 結(jié)構(gòu)的電氣條件。因此，盡管工業(yè)應(yīng)用能代表與可靠的接口電路相關(guān)的要求和設(shè)計挑戰(zhàn)，但在測量儀器、醫(yī)療電子、汽車系統(tǒng)、通信與消費電子等多種多樣的環(huán)境中，仍會發(fā)生類似的問題。然而，直至不久前，此類應(yīng)用大多數(shù)依賴于演進多年但卻幾乎不大偏離其演進軌道的半導(dǎo)體制造工藝。同時，驅(qū)使低電壓 IC 設(shè)計師采用更小幾何尺寸的經(jīng)濟動力可能對必須適應(yīng)大信號擺幅的芯片制造商不利（附文“小尺度的經(jīng)濟性”）。最近，一些主要的模擬信號半導(dǎo)體和混合信號半導(dǎo)體制造商已偏離了這一趨勢，開發(fā)出更緊湊的新工藝，并仍然保留I/O功能所需的可靠性。
可能的小尺度工藝
器件層（如柵極氧化層）的介質(zhì)擊穿常常限制著某種特定工藝和器件設(shè)計的工作電壓。但是，這種觀點從工藝角度把工作電壓看作一個參數(shù)。只要在工藝規(guī)定的信號電壓極限內(nèi)能獲得足夠的 SNR，這種觀點就是合理的。確實，考慮到每次信號轉(zhuǎn)換時為雜散電容充電所需的電能 EC=C(ΔV)2/2，低工作電壓帶來的節(jié)能效果是不相稱的。
但是，工業(yè)應(yīng)用的觀點則完全不同。在這種情況下，標(biāo)稱信號電壓是給定的，一般是
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