模擬電路的演變發(fā)展

過去的 40 年里，模擬電路在整個(gè)集成電路市場中所占的份額一直在 20% 左右。隨著數(shù)字 IC 在復(fù)雜程度和功能方面的不斷進(jìn)步，模擬 IC 同樣也在發(fā)展。不過，與數(shù)字 IC 增加功能 (其基于晶體管的數(shù)量) 的表現(xiàn)形式不同，模擬 IC 的進(jìn)步則體現(xiàn)在其他的指標(biāo)上。對(duì)于數(shù)字 IC 而言，性能的改進(jìn)取決于特征尺寸和晶體管尺寸的縮減。在單顆芯片內(nèi)集成更多的晶體管提高了數(shù)字 IC 的運(yùn)作能力。模擬 IC 基于實(shí)際的參數(shù)，因此功耗、分辨率、速度和其他參數(shù)則反映了模擬集成電路的改進(jìn)。

數(shù)字是信息 - 電壓和電流的數(shù)值在數(shù)字電路中無關(guān)緊要，只要輸入和輸出正確即可。在一個(gè)數(shù)字電路中，信號(hào)是如何從輸入到達(dá)輸出的并不重要。數(shù)字電路可以是門陣列、微處理器或分立式邏輯器件，只要它們正確運(yùn)作就行。模擬功能部件則考慮到了實(shí)際的參數(shù)。電壓和電流、噪聲、速度和電源電流全部都是在模擬集成電路中定義的模擬屬性。因此對(duì)于模擬電路而言，怎樣將輸入信號(hào)變成輸出信號(hào)是至關(guān)重要的。

面向數(shù)字 IC 的工藝創(chuàng)新對(duì)模擬 IC 產(chǎn)生了極大的影響。40 年前，模擬 IC 是采用一種 “8 掩模工藝”(eight mask process) 來生產(chǎn)的。幾乎所有的制造商所采用的工藝都非常相似，而且他們生產(chǎn)的器件類型彼此之間也十分類似。如今，每家制造模擬 IC 的公司均擁有其自己的工藝和變種，因而沒有那種可提供直接替代產(chǎn)品的第二供貨源。針對(duì)模擬 IC 的這些工藝改進(jìn)不僅涉及晶體管尺寸，而且也關(guān)乎工藝復(fù)雜性。模擬 IC 常常是利用多達(dá) 50 個(gè)掩模層來制造的，并包含了雙極、CMOS、薄膜晶體管、以及實(shí)現(xiàn)模擬功能所需的其他專用 IC 組件。

模擬 IC 的尺寸縮減方式不同于數(shù)字 IC。模擬 IC 的某些參數(shù) (例如：電壓和電流) 需要占用芯片面積以正確地起作用。較高的電壓需要較大的晶體管和更大的間距，因此新的光刻工藝并不能縮減芯片的尺寸。大電流運(yùn)作要求使用大面積晶體管，而縮小參數(shù)的做法并不會(huì)改善晶體管傳輸大電流的能力。另外，功率耗散也需要大的芯片面積和良好的熱連接以實(shí)現(xiàn)器件的正確運(yùn)作。因此，模擬電路更多地與其執(zhí)行的功能實(shí)施物理連接。

而且，最初專為數(shù)字 IC 而設(shè)計(jì)的密度改進(jìn)方案也已被模擬 IC 所采納。較小的晶體管工作速度較快，因此采用由纖巧線寬實(shí)現(xiàn)的新型晶體管的應(yīng)用便蓬勃發(fā)展起來。以低功率運(yùn)行于千兆赫茲 (GHz) 頻段的高速 RF 電路如今已很常見。具有超過 20 位之分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，或者工作頻率達(dá)千兆赫茲的轉(zhuǎn)換器就是在生產(chǎn)工藝中使用了快速小型 CMOS 晶體管的直接結(jié)果。由于這些細(xì)線工藝的成本由于其所支持的巨量數(shù)字電路而降低，因此采用這些工藝生產(chǎn)的模擬電路將繼續(xù)在成本效益性上更勝一籌，而且使用范圍更加廣泛。工作頻率達(dá)數(shù)兆赫茲 (MHz) 且效率超過 95% 的開關(guān)穩(wěn)壓器就是使用了細(xì)線晶體管的結(jié)果。較小的晶體管尺寸使得模擬 IC 能夠內(nèi)置大量的數(shù)字支持電路和速度較快的模擬電路。

模擬組件也取得了改進(jìn)。運(yùn)放的速度和 DC 精度有所改善。線性穩(wěn)壓器 (LDO) 具有一個(gè)較低的壓差、較低的電源電流和模擬監(jiān)視輸出。針對(duì)線性穩(wěn)壓器的新型架構(gòu)可在無需專用外部電路的情況下實(shí)現(xiàn)器件的并聯(lián)以及至零輸出的調(diào)節(jié)能力。一款特別有趣的新型 LDO 在 10Hz 至 100kHz 的頻率范圍內(nèi)具有 1µV 的輸出噪聲，這一指標(biāo)比許多低噪聲放大器的還要好。

這些開發(fā)成果源于新穎的電路創(chuàng)新、更加潔凈的晶圓代工廠、更好的掩模處理、掩模和晶圓中缺陷密度的改良、以及晶圓尺寸的增大。除了在單芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能之外，模擬集成電路還提升了性能。

不管是數(shù)字 IC 還是模擬 IC 其功能均不是每年都有顯著的變化。在過去的 40 年中，它們的發(fā)展一直是一種不斷改善性能參數(shù)的穩(wěn)步演進(jìn)過程。在今后的 10 年乃至更遠(yuǎn)的未來，我們可以期待模擬電路創(chuàng)新和性能將得到持續(xù)的改進(jìn)。