混合信号有利有弊犹如双刃剑,OEM左右为难平衡集成度

上网时间: 2001年12月01日? 作者:麦可维? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:混合信号? 集成? SoC?

凡是必须处理连续信号(如声音、图像、温度和压力)的系统都有自己的模拟功能部分,因此将模拟与数字电路集成在一块芯片上的混合信号技术已开始被越来越多的人接受。购买混合信号IC的OEM开始平衡利弊,它们想知道多大集成度的芯片是最合算的、是否必须集成以及应该采用哪一种制造工艺?

作为半导体集成工艺的新发展,混合信号的概念还没有严格的标准。“混合信号概念让人摸不着头脑,在模数转换器中有很多数字电路,它们是不是混合信号器件呢?”Cypress微系统公司营销副总裁Mike Polen说道。对此,半导体行业协会(SIA)将混合信号IC分成两个大类:定制/特种模拟电路和数字ASIC,这两类IC在2000年的全球收入分别约为190亿美元和99亿美元。

尽管与过去相比技术工作已变得相当容易,但混合信号设计仍被视为一项“绝活”,很多半导体公司对此都秘而不宣。然而随着数百家专业设计公司为通讯应用设计混合信号方案,目前几乎每家大型半导体代工厂都可以提供混合信号工艺。

无线通讯的爆炸性增长已成为混合信号的主要推动力。此外,机顶盒、多媒体、消费产品(如摄像机)以及工业装置(如温度传感器)也使用了大量混合信号芯片。“我们对多媒体的定义就是数字电路加上模拟I/O。”Forward Concepts公司分析师Will Strauss指出,“没有模拟接口,多媒体就没有通向外部世界的通道。”从事交换结构IC制造的Power X 网络公司营销总监Bill Weir也表示:“现在的芯片上集成了更多的模拟功能,这是从来没有过的。”

界线不清统计困难

尽管无法得到可靠的数字,但仍可估算出混合信号器件的市场总值在数十亿美元的范围,Semico研究公司分析师Jim Feldhan认为:根据SIA的数字,这一具有定制特点的器件虽然今年受到较大价格压力,但仍然好于其它芯片市场。

混合信号有利有弊犹如双刃剑,OEM左右为难平衡集成度_ESMCOL_1

市场研究人员及SIA正在寻求统计混合信号IC销售额的方法。比如SIA正在计算线性IC中被称做特种消费IC的一个类别。特种消费IC包括消费电子、视频、电脑及海量存储应用中的混合信号芯片,所有这些应用都为混合信号芯片带来日益增多的市场需求。

除模/数和数/模转换器之外,一些标准单元器件也含有混合信号功能。根据SIA的计算,去年全球标准单元市场约为95亿美元。这一数字可能包含了德州仪器(TI)公司和意法微电子(ST)公司的器件,据说它们的器件集成了具有混合信号功能的微型外围电路。

嵌入了闪速存储器的微处理器大概也可算作混合信号器件,但Semico的Feldhan说:“TI在报告中仍将DSP内核算作DSP内核,尽管其中含有存储器和混合信号功能。”

也有人认为DSP既是混合信号的补充,其本身也可看作混合信号器件。“没有混合信号处理部分,DSP就很难成为DSP。”Forward Concepts的Strauss说,“如果这种芯片带有转换器,其本身就是混合信号,而且这种做法越来越多。”

微芯技术公司的PicMicro微控制器是作为数字器件来销售的,但其中30%的电路是模拟的。存储器、高速点对点串行链路以及通用接口是最常被集成的功能。“最近人们特别感兴趣的是在网络物理层旁集成光收发器,”Power X公司的Weir说。

此外,混合信号与系统级芯片(SoC)之间的界线开始模糊起来。Semico的Feldhan说,越来越多的SoC拥有混合信号功能,特别是生产能力比较紧张时,用户可能愿意多花钱来做集成芯片,即使系统并不一定有这样的要求,因为这样购买的芯片数量就少了。”

三星半导体Cubic方案组营销总监John O'Boyle指出,混合信号部分可以集成到SoC之上,他说:“我们通常在处理器内核中集成模数转换器、锁相环及RF模块。”

Cypress微系统公司已开发出一种可重复配置的微控制器,叫做可编程系统级芯片(PSoC)。它包括闪速存储器、SRAM以及用于实现模拟与数字系统功能的可编程阵列。该器件允许设计者在设计阶段后期对MCU内核动态地进行重复配置。

Multilink技术公司将其10Gbit/s的连续串并转换器SerDes(serializer-deserializer)看做是SoC。它是一个附带时钟倍增器的复用器,同时也是一个带时钟与数据恢复功能的解复用器。

有利有弊平衡取舍

混合信号技术有利也有弊。“在高性能应用中,当有很多信号出入芯片时,必将影响性能,因此你必须将它们集成。你不会在意成本可能增加了10倍。”Feldhan说。但他同时表示,并非所有的东西都需要集成,一块硅片上的集成功能是否划算,需要综合考虑最终的产品批量及性能方面的要求。如果芯片集成的设计过程相对产品周期来说过于冗长,OEM则宁愿采用更廉价的分立模拟与数字芯片。

“基本上是在成本与性能之间进行取舍。”意法微电子公司通讯外围及汽车业务开发总监Richard Chesson说,“有时你可能被迫采用最先进的技术,它可能太先进了,还不够成熟,或者功能不够全面。”

企图将所有东西都集成在一起,这可能反而违背了混合信号芯片的本来目的。Multilink技术公司PHY/PMD营销总监Gerry Jurkovic指出:“规模过大的集成可能造成过高的功耗和成本,或者硅片面积过大等缺点。是否采用混合信号完全取决于市场需求的变化。”

OEM其实是在灵活性与集成度之间进行取舍。Jurkovic认为,集成是为了获得更低的成本和功耗,但有时为了实现市场中的最高性能的产品,在成本与功耗上有所牺牲也是值得的。如果不集成,OEM也可利用不同供应商的模拟与数字产品进行搭配,以满足自己的需要。现在的用户比以前更愿意采用多只硅片方案,它可能比集成方案更具成本效益。

混合信号有利有弊犹如双刃剑,OEM左右为难平衡集成度_ESMCOL_2

对于成本来说,OEM不仅要考虑混合信号芯片本身,还要考虑它们对整个系统的贡献。OEM在设计产品时,应该考虑将混合信号/模拟功能集成到普通的芯片组中有什么好处。“数字IC部分相对于集成的模拟功能来说所占体积小,成本也低。”Power X 公司的Weir说,“可是要实现的模拟串行链路有几百个。目前,OEM只能分别购买这些数字IC及外围的模拟收发器。”

如何确定集成度?

集成度通常是按照经济而不是技术的眼光来衡量。TI高性能模拟产品营销总监Alun Roberts表示,通常客户的市场容量决定了集成度水平。比如,手机的批量较大,并且高度集成了模拟、数字、电源管理及RF等功能。而另一方面,无线基站则强调性能,并希望建设成本尽量低,所以这类产品的集成度较低,并采用了功能更强大的芯片或多芯片方案。

OEM需要在所需的性能与工艺参数之间进行平衡。“集成存储器总是不划算的,因为它需要更多的掩膜工序,从而增加了OEM的成本。”三星公司的O'Boyle说。

模拟设计规则一般都在0.25-0.35微米的工艺范围,而数字电路一般采用0.18微米甚至0.13微米的工艺,将它们集成在一块芯片上会使工艺复杂化。随着芯片工艺尺寸日趋缩小,电压也在降低,因此实现混合信号的技术难度更大了。例如,0.18微米工艺可支持3.3V的电压,但无法支持5V电压。模拟器件公司高速转换器分部副总裁John Hussey表示,电源电压降低通常给高性能模拟工艺带来更大困难。

随着硅片工艺尺寸的进一步缩小,成本将大幅上升。“模拟电路在0.18微米下的成本是0.35微米的2.5倍,因为模拟电路比数字部分更难缩小。” Hussey说,“这样,如果模拟部分在芯片中比例较大,那么你就为这部分付出了2.5倍的代价。”

虽然OEM开始定义标准的模拟规范来设计混合信号芯片,但在设计中首先确定参数的总是数字电路。Power X公司IC设计总监Paul Lombardelli说道:“对于数字电路,你只需创建一个标准单元、进行验证,然后拷贝就可以了。但对模拟电路来说,你必须手工调整每一个晶体管。”

意法微电子公司的Chesson指出,模拟部分在混合信号设计中通常占有30-40%的比例,但现在有更多的数字部分不仅含有存储器,还加入了处理器一类的东西,因此功耗也成了性能价格比中应该考虑的因素。

CMOS赶超砷化镓和硅锗工艺

CMOS仍然是混合信号电路的基本工艺,它甚至在某些方面优于昂贵的硅锗(SiGe)和砷化镓(GaAs)工艺。“过去几年中,CMOS工艺的速度提高了约10倍。”Lombardelli说,“现在的标准CMOS工艺几乎可用来制造所有产品。”

以前一直采用GaAs和SiGe工艺实现的特高速链路和RF放大器,现可直接采用CMOS来实现。比如,将海量处理器、存储器和复杂的模拟功率器件集成在一起,以前需要采用BiCMOS或GaAs工艺,现在则可通过CMOS实现。

Power X的Weir认为,GaAs和SiGe仍将作为特种技术而存在。这些特殊工艺还没到穷途末路的时候,它们将服务于更高水平的应用。

作者:麦可维

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