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模拟及混合信号IC技术发展现状与趋势

作者：荣鑫 -上传日期：2005-1-5

设计技术
    一般而言，模拟及混合信号电路的性能直接与电路中有源元件的数目相关，模拟电路设计在电路的拓补中需要严格匹配，并受类似spice之类的器件级模拟精度的制约，于是导致模拟电路的设计在电路元件集成规模方面远比数字电路的小。另外，由于模拟电路设计中元件尺寸越大便越容易实现元件之间的匹配，所以还有相当一部分模拟电路的制作还在采用较大尺寸的工艺技术。
    由于数字电路工作电源电压的降低，导致模拟电路出现两种不同的设计发展趋势，一种是设计可工作在很低电源电压下的新的模拟功能电路；一种是对所有高性能模拟功能电路进行分段独立设计，并使它们工作在不同的电源电压下。对第一种情况而言，随着电源电压的降低，其动态范围随之降低，且噪声的敏感性也提高；同时，对模拟电路的精度必须进行折中，也就是说，实际上要降低模拟电路的精度。对第二种设计方案而言，芯片中的全部模拟电路和数字电路几乎都更容易设计和布局。但这种方案在印制板上需要使用外部器件，如调节器和电源滤波器。然而，这并不会增加太多的成本和占用太大的空间，是很多应用可以接受的，这便是一方面SOC技术将得到很大发展而另一方面独立的模拟电路仍将继续存在的根本原因。
    长期以来，模拟IC的设计还没有自动化程度很高的工具和方法，更多的只能依赖于设计人员的专业知识和设计经验。
    幸运的是，随着工艺的标准化，已开发、形成了完善的工艺设计库PDK（Process Design Kit）。电路设计人员利用这种库可方便、高效地进行高性能模拟IC的电路设计和版图设计，Foundry工艺线也会认可所提供的设计数据，线上生产出的产品也能满足高性能电路的设计要求。所以，模拟电路正不断步入新的高性能发展时代。
    SOC技术被认为是21世纪IC发展热点，从模拟电路集成的发展趋势来看，更多的情况是将许多独立的功能电路集成为一个子系统，如将放大器、滤波器和转换器以及数字信号接口和控制电路等集成为一个完整的模拟信号处理链式系统。在许多情况下，这种子系统还包含了一定水平的可编程能力，可使电路参数的变化能随子系统电路工作需要而得到优化。
    另外，从多数数字/模拟混合信号SOC的数据表明，其中模拟电路的集成规模约占集成总晶体管数目的2%，但它却要占芯片面积的20%，且需要花费40%的设计努力，还可能导致50%的流片失败。因此，任何一个关键的模拟电路，都将成为整个SOC电路在设计、实现、验证和制造中的瓶颈，它大大限制了数字/模拟混合信号SOC电路的发展进程。

工艺技术
    工艺技术有两大重要发展趋势，一是主流产品不断向微细化工艺技术发展；二是最新工艺技术正推动数字/模拟混合信号电路集成的发展。
    据最新报导，模拟IC的主流工艺技术已是8英寸 0.25μm CMOS技术，部分高性能产品已进人0.13μm CMOS技术，而12英寸 90nm的集成工艺技术也将趋成熟，大量应用该技术已为期不远。射频电路在2001年是0.35μm CMOS工艺，2002年至2003年则以SiGe双极和SiGe BiCMOS工艺为主流，也有RF CMOS技术发展趋势。总的来看，高速混合信号电路和RF电路，有向CMOS技术发展趋势。在2004年国际固体电路会议报导的A/D转换器中，除美国TelASIC通信公司的3位40GSPS A/D转换器采用0.12微米SiGe技术外，多已普遍采用0.18微米CMOS工艺技术制作。澳大利亚Infineon设计中心的6位600MSPS A-D转换器，还采用90纳米CMOS工艺技术制作，同时实现了低功耗和高速度。

测试技术
    随着射频电路加上数字/混合信号电路的工艺技术的发展，集成有低噪声射频放大器、滤波器、RF锁相环、基带接收/发送器、A/D和D/A转换器以及数字基带处理功能等电路的所谓SOC复杂系统，不仅设计制作难度大，而且测试也极为困难，IC的测试已成为重要技术课题之一。
    数/模混合信号测试系统的趋势是基于模块化、高速和高引脚数的数字测试平台，然后根据需要将高性能的模拟/RF/微波仪器或模块加入该平台中。
    系统难点将主要集中在数/模混合信号方面，如：
1 模拟/RF/微波的信号环境导致噪声串扰、信号混合及系统负载板设计和结构复杂化。
2 所有模拟管脚必须并行地逐步测试，意味着需要有高速、并行执行的DSP测试算法（FFT算法等）的多路测量设备（仪器）。
    另外，IC的测试能力和水平也体现在可靠性测试方面，发展IC的失效分析与故障测试技术是保障IC高可靠工作的一种重要技术发展趋势。

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