消費(fèi)電子IC集成的技術(shù)挑戰(zhàn)及解決策略分析

在消費(fèi)電子產(chǎn)品中，IC更高集成的主要障礙是不同類型電路-主要是數(shù)字、混合信號和電源管理電路很難用一種生產(chǎn)工藝生產(chǎn)。更進(jìn)一步的集成需要IC提供商在不犧牲性能的情況下，以低成本的方式來銜接這些技術(shù)差距。本文分析這些存在的技術(shù)挑戰(zhàn)以及可能的技術(shù)發(fā)展。 


在小小的硅片上集成更多的功能已經(jīng)成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最近幾十年來的重要關(guān)注點(diǎn)。這有幾個原因：首先消費(fèi)電子產(chǎn)品特別依賴于將多個分離芯片集成到一個IC中來減少成本；其次，集成使設(shè)備更小、更便于攜帶，這一點(diǎn)很重要；最后一點(diǎn)也是很重要的一點(diǎn)，就是通過減少系統(tǒng)中器件數(shù)量來提高可靠性。 


今天，硅集成依然是形成具有新功能的產(chǎn)品以及以更低的成本實(shí)現(xiàn)更高性能的關(guān)鍵。在便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品中，摩爾定律不再是限制集成的因素。移動電話、數(shù)碼相機(jī)和高端音樂播放器比最新的PC微處理器的晶體管更少，但依然需要三個或更多的IC。在這種便攜式系統(tǒng)中限制更高集成的主要障礙不是晶體管的數(shù)量，而是因?yàn)橄到y(tǒng)不同部分需要不同的晶體管。像微控制器、DSP和存儲器這樣的數(shù)字電路需要低工作電壓的小晶體管，以便降低功耗-這是電池供電應(yīng)用中的關(guān)鍵問題，并能有助于提高開關(guān)速度。 


然而，這些小的低電壓晶體管不適合其它類型的電路。一個例子就是電源管理：開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器(DC-DC變換器)、LDO線性調(diào)節(jié)器以及電池充電器都需要能承受相對更高的電壓和電流的更大晶體管。混合信號功能，例如音頻編解碼器，是另外一類具有其特殊要求的電路，因?yàn)檫@些電路處理的是模擬信號，晶體管噪聲是關(guān)心的主要問題，必須使噪聲最小化以獲得終端產(chǎn)品更高的性能。而且，混合信號電路不能僅僅由晶體管構(gòu)成-它們常常需要在片上集成高線性電阻和電容。這些不同的要求很難由一種芯片制造工藝來滿足，其結(jié)果是不同類型的電路將采用到不同的工藝。 


在消費(fèi)電子產(chǎn)品中，基于相似工藝技術(shù)的絕大多數(shù)電路已經(jīng)被集成。為進(jìn)一步減少這些系統(tǒng)中的芯片數(shù)，必須突破這些工藝之間的技術(shù)壁壘。最極端的做法是將系統(tǒng)的所有半導(dǎo)體器件集成到一個系統(tǒng)級芯片(SoC)上。然而實(shí)際上，這會導(dǎo)致一些不期望的折衷。使用“數(shù)字”工藝構(gòu)建的SoC的性能表現(xiàn)并沒有專用混合信號IC那么好，特別是對于高保真音頻應(yīng)用來說。集成到這種SoC上的電源管理功能比專用的電源管理單元(PMU)需要更多的外部器件，因?yàn)樗鼈兊膬?nèi)部晶體管不能應(yīng)付高電壓。采用“模擬”工藝可以解決這些問題，但即使它們的最小晶體管尺寸依然很大，將增加數(shù)字電路模塊的功耗和尺寸。結(jié)果，今天真正的單芯片方案只用在那些為了成本可以犧牲性能的應(yīng)用中，例如低端音樂播放器。 


一個可選的策略是在一個芯片中集成混合信號和電源管理功能，而數(shù)字邏輯部分則獨(dú)立開來。這種方法可以將很多系統(tǒng)的芯片數(shù)量減少到兩片(那些需要專用電路類型的除外)。同時，它需要的折衷還比較少，因?yàn)榈讓拥募夹g(shù)很相似?；旌闲盘柡碗娫垂芾矶际褂媚M器件同樣的晶體管，都關(guān)心模擬性能，而不是僅僅單純在一個芯片上可以集成的晶體管數(shù)量。像電壓調(diào)節(jié)器一樣，混合信號音頻電路為驅(qū)動微型喇叭，通常其工作電壓和電流較高。 


混合信號和電源管理電路在它們的設(shè)計方法上有很多共同之處，都需要基于每個晶體管的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型的詳細(xì)模擬仿真(即SPICE)。消費(fèi)者可以通過眼和耳來根據(jù)某些模擬特性對產(chǎn)品進(jìn)行區(qū)分，例如噪聲、諧波失真以及功效等，這些都很難通過仿真來預(yù)測。模擬IC設(shè)計工程師很重視這個問題，通常手動精細(xì)調(diào)整它們芯片上電路單元的布局。 


此外，外部器件和PCB布局通常像芯片本身一樣能決定最終產(chǎn)品的性能，因此一種系統(tǒng)級的方法不可或缺。另一方面，數(shù)字IC的設(shè)計與軟件的開發(fā)緊密聯(lián)系。數(shù)字電路和芯片布局通常從硬件描敘語言(如Verilog或VHDL)的抽象定義中自動產(chǎn)生，這很大程度上將數(shù)字設(shè)計工程師從對電路中每個晶體管的考慮中解脫出來。數(shù)字電路仿真也不需要模擬電路仿真那樣的準(zhǔn)確度，因?yàn)閿?shù)字電路并不識別0和1之間的中間值。在很多情況下，對于最新的數(shù)字IC技術(shù)很少有可用的準(zhǔn)確晶體管模型。 


然而，將電源管理和混合信號結(jié)合起來還是帶來一些新的問題。只有采用開關(guān)電源才能獲得當(dāng)前便攜式設(shè)備的功率效率，而開關(guān)電源本身會產(chǎn)生開關(guān)噪聲問題。將音頻或視頻功能放在同一個芯片上使得這些噪聲很容易影響模擬信號，降低終端用戶的聽覺或視覺體驗(yàn)。幸運(yùn)的是，混合信號設(shè)計工程師已經(jīng)找到了解決這種問題的方法-他們的IC總是包含大量的數(shù)字電路，這些電路也產(chǎn)生開關(guān)噪聲。他們開發(fā)出保護(hù)敏感模擬信號的方法也能處理大量的噪聲。另一方面，電源管理電路很少會被來自其它電路模塊的噪聲或干擾所影響。因此，電源管理專家在降低他們IC的噪聲方面并不積極。 


當(dāng)前，影響混合信號電路性能最普遍的問題與電源的穩(wěn)定性和質(zhì)量直接相關(guān)。例如，通過使電源工作在那些混合信號功能不敏感的頻率來解決開關(guān)噪聲問題。電源管理和音頻功能緊密地集成還能使電源響應(yīng)更快，或者甚至可以預(yù)見系統(tǒng)功耗的陡增。這樣的功率浪涌通常是由于音頻信號的聲音峰值造成。 


縮短電源反應(yīng)時間減少了對存儲電荷的高價格大電容的需求。這樣一來，設(shè)計工程師可以采用更小、更輕和更便宜的電容。在一個模擬IC中集成電源管理和混合信號功能從經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上都有明顯的意義?？朔_關(guān)噪聲是這種集成器件成功的關(guān)鍵，系統(tǒng)級的設(shè)計有助于使這種方案比分離器件有更大的優(yōu)勢。盡管部分集成的策略顯得比單片集成更保守一些，但在短期到中期具有較好的機(jī)會。