要点

1.关键的决策包括：IC放在电路板上的位置， 铜线的走位与厚度，元件布放的位置，以及邻近电路可能对性能的影响。

2.模拟软件工具将减少模拟电路架构的设计时间。

3.模拟芯片设计者可以采用不同方案提高能效，可以选择最佳CMOS技术，也可以采用智能的系统级设计。

4.在实现电源转换的差异化和自适应功能方面，模拟控制器要比数字控制器有更多的困难。

我们进入21世纪已经有十多年时间，电子领域正进行着前所未有的快速技术创新。晶体管与IC(或微芯片)的发展是导火索，造就了如今电子领域的创新大爆炸。自从上世纪70年代初期微芯片得到广泛应用以来，出现了比以往任何时候都多的科技突破，创新成果的出现频率更高了。这一浪潮主要归结于尺寸日益缩小而密度逐渐增加的硅晶圆所带来的性能与计算能力。

让我们看看模拟世界的水晶球，看是什么拯救了模拟设计师们，帮他们控制各种变量，电路约束条件的极度敏感情况，以及结果的质量，使得模拟设计更像一种艺术形式而不是一门科学(参考文献1)。

模拟挑战

从系统级开始，你会发现系统的大部分组成是硅元件(参考文献2)。这一趋势的一个好例子是英特尔公司的Huron River移动平台，它包括了Sandy Bridge微处理器和CougarPoint PCH(平台中心控制器)。今天平台的信号速度在单端DDR3上可达1600Mbps，而对差分PCIe Generation2则能达5Gbps。系统中典型PCB材料有性能限制，需要先进的模拟设计复杂性来克服这些局限。模拟设计者通常会将接口芯片用于一根跨越主板PCB上的信号走线，如德州仪器(TI)公司的DS25BR204 LVDS(低压差分信令)转发器，发射器端内置了预加重，而接收器端则有均衡功能。另外对模拟电路设计者形成挑战的是对节约能耗和硅芯片面积的需求。

另外一个影响模拟电路的因素是混合信号域，它主要是在时序收敛域中观测。随着信号速度的增加，时钟与时钟序的预算也在不断缩小。这种状况也增加了电路缺陷的风险(参考文献2)。

虽然PCB布局性质很关键，尤其是对高速电路，但它经常是设计过程中的最后几步之一。这就像房地产一样，位置决定一切。关键性决策包括：在电路板何处布放一枚IC、铜走线的位置与厚度、何处布放元件，以及其它邻近电路对性能的影响等。很多设计者都依赖于IC供应商的评估板和数据表，以将一只芯片正确地整合到一块覆铜的玻璃纤维PCB板上。另外还要查看IC供应商的白皮书。

设计工具

德州仪器收购美国国家半导体有望提供更强大的模拟设计工具。美国国家半导体公司的Webench Designer可在数秒内创建和展示所有可能满足设计需求的功率、照明或传感电路。这个特性使用户能够在系统级和供应链级做基于价值的比较，然后再做成一个设计。德州仪器公司Webench设计经理Phil Gibson表示，目标是让工具更可视化、更容易使用，更直观。Webench能引领模拟设计者，从概念到选择元件，直到订购面包板用的元件。还有更多值得等待的工具，它们充分利用了这些公司专家联合的“云”。德州仪器与美国国家半导体将整合起各自广博的产品组合，成为现在的新型工具(图1)。

图1，原美国国家半导体公司开发的Webench Designer工具包括强大的软件算法以及虚拟界面，可为电源、照明和传感应用提供简便的设计。

采用定制模拟设计的精密传感系统要花数周(甚至数月)时间做设计。对重要的开发系统，从IP(知识产权)到原型，从测试到编写系统算法，设计者不能简化开发与生产周期。德州仪器与美国国家半导体公司的传感器模拟前端系统与IC提供了一种集成化的软硬件开发平台，使电路设计者能够快速地在线创建出一个设计，按自己需求做配置，并快速地完成它的原型制造。

用德州仪器的INA-CMV-Calc(仪表放大器共模电压计算器)做一个似乎很简单的输入信号共模范围计算，就可以为设计者节省下宝贵的设计时间。用这个简单的电子表式计算器可以避免很多常见的仪器放大器设计问题。

Analog Devices公司也已改进了自己支持设计工程师的网站，更强调了技术方面的内容。这种支持包括Engineer Zone在线技术支持社区。该公司也提供RF工具，如ADIsimRF，这是一种易于使用的RF信号链计算器，可计算出级联增益、噪声背景、三阶交调截取点、1dB增益压缩以及总功耗。用户可以在发射模式和接收模式之间切换计算器，从而分别完成针对输出和针对输入的计算。该公司的Circuits from the Lab列出了经过验证的参考设计，设计者可以充分信赖它们的性能。

在放大器方面，Intersil公司提供iSim有源低通滤波器工具，这是由该公司高级应用经理Michael Steffes开发的。Steffes最近更新了该产品，包含了一个非反相设计工具，以及用于反相的设计算法，两者很快都可供使用。这些工具也许看似简单。但是，模型中与器件中的反相输入电容会与电阻值相互作用，从而产生频率响应问题，而这个工具可以帮助解决这类问题。

Steffes称，很多公司都可以提供在线工具自动实现各种运放应用电路。尽管供应商与第三方工具都对实现设计的外部元件采用教科书上的方案，但新兴工具可将参数搜索引擎的特性，包括针对器件的特性，与适当的器件相结合，然后执行设计算法。在做一个设计时，早期的工具可以观察基于电压反馈放大器电路块的增益带宽结果，而较新的工具还可以考虑转换速率、寄生输入电容、噪声与闪烁噪声转角、输出负载问题，以及这些问题与放大频率响应之间的相互作用方式。

这些“专家系统”方案能同时考虑两种基本效应，如电源电压范围，以及二阶效应，从而快速而有效地缩小器件的选择区间。新工具还增强了设计的算法，以减小器件所需要的设计裕度。这一功能获得了低功耗和低成本器件，方式是在设计的初期就考虑并补偿器件的不确定性。例如，较早的工具可能会为一个二阶Sallen-Key滤波器设计寻求一个100倍的带宽裕度，而新工具可以将此裕度降至10倍区，从而大大减小了有源器件需要的设计裕度，获得了更低成本和更低功耗的设计。

只要从几个常用的电路构建块起步，这些工具就可以快速地提供推荐的器件；做出外接元件的设计；并在某些情况下，将这些设计移植到更常用的电路仿真器中，设计在这里可以继续采用电路板级元件的较大型库。于是，在线工具包含了精确且更完整的子电路模型。它们建立针对关键参数和器件不确定性的模型，设计者可在设计算法时采用这些模型去预测并管理二阶问题。

其后的设计者接口面向各种常用应用电路所需要的结果，同时包括一些系统约束，如电源电压。各工具将这些结果与参数化搜索和评价算法相结合，去除不适合的器件，然后对余下的器件打分。这种评价与各种常见结构的预期设计算法紧密结合。在选择了一只器件和目标设计以后，工具执行外部元件算法，此时会考虑寄生效应，获得一个推荐的电路块。采用这些交互式工具设计完成一个电路块后，某些工具可以将该块移植到一个更通用的仿真平台，设计在那里得到继续，与这些块相组合，并插入其它需要的元件。

这些模拟电路设计工具提高了工程师的能力，能够将一个设计概念顺畅而快速地转换为一个实际的电路硬件，从而产生出一个最终能工作的设计。

纳米级别的CMOS

随着CMOS工艺进入纳米级别(即小于100nm)范围，要维持中等精度或高精度模拟电路的能量效率变得越来越难(参考文献3)，精度可能随技术尺寸的下降而降低。模拟芯片设计者可以采用不同方案来提高能量效率，如选择最佳的CMOS技术，直到采用精巧的系统级设计。尽管这些方案确实可以提高效率，但要做到这些却有越来越多的挑战。对于一个要把10磅功能塞入到装5磅的包里的模拟电路设计者来说，效率至关重要。在未来模拟CMOS电路中，采用正确的晶体管偏置以及精巧的电路级新技术，都可以保持乃至提高能源效率。(见附文：半导体工艺与设计)

数据转换器

过去几年来，数据转换器的性能在稳步提高。尺寸以及设计技术的进展利用了高密度和高速度的现代工艺技术。数据转换器中正在置入更多的智能。通过管理更多的系统功能，数据转换器可简化编程软件，缩小体积，通过数字化增强来变得不太复杂和更有成本效益。自适应电源管理与传感器集成与增强，以及更多功能正在减轻模拟电路设计者的繁重劳动，帮他们完成传感器的信号调节工作，使传感器、调节以及数据转换芯片之间尽量靠近。德州仪器公司的TMP006红外热电传感器采用超小型芯片级封闭，集成了信号调节、一只ADC，以及到一个串行数据总线的数字信号输出(图2)。

图2，德州仪器公司的TMP006红外热电传感器集成了一个IR MEMS温度传感器、信号调节，以及到一个串行数据总线的数据转换，可用于与微控制器的无缝接口。

不久前，采用某种流水线架构的ADC转换器最适合用于处理宽带信号，它有所需要的分辨率。随着过采样数据转换器技术的最新进展，无线宽带通信系统的基带模拟前端定义有了新的替代品。对于使用过采样Σ-Δ架构的ADC，其技术已经发展到了这样的时点，器件能够高效地转换10MHz或更高带宽的信号。这是一个显著的进展，因为能在宽带通信接口的接收机信道中使用这种ADC架构，如LTE(长期演进)、WiMa x或802.11a / b/g。它们不适合用于802.11n，因为它需要的带宽是20MHz(参考文献4)。

模拟电路设计者现在有更多的数据转换器选择，尤其是能够在视频、医疗与电力线通信应用中集成模拟前端。这些转换器拥有较以往更低功耗、更小体积，以及更低成本的Σ-Δ和流水线架构，能够在超出过去极限的新市场和应用得到实现。ADS1298就是这类器件的一个最佳范例，它主要面向医疗领域。

随着去年在数据转换器与模拟前端方面的进展，宽带过采样Σ-ΔADC将用于手机系统，能同时支持信号带宽高达10MHz的窄带和宽带通信。它们还将能够用于ADC与RF收发器整合的应用，如全集成的RF/宽带芯片。另一方面，流水线ADC转换器将用于仅支持宽带的应用，如PC棒和微微蜂窝基站，以及802.11n这类基带信号带宽大于10MHz的应用。它们亦可用于RF IC为外部器件的应用。

无线通信市场将是数据转换器性能、功率效率，以及计算集成化的一个主要推动力量。新兴的4G蜂窝网络以及要赶上无线视频传输爆炸性普及的需求，都使电路设计者手忙脚乱。同时，数据转换器制造商(如Analog Devices等)将开发出更快采样速率的产品，它们在更高即时频率下有更多可用带宽，使天线更靠近数据转换器，因此消除了昂贵而复杂的微波与RF元件。这种方案大大简化了模拟电路设计者开发新架构的工作，使他们能够跟上消费者的需求。

放大器

各家供应商正在开发能补偿ADC越来越高速度和带宽的放大器。例如，Intersil公司提供的ISL55210SiGe放大器具有针对高端数据采集的大动态范围。另外一种奇特的新放大器是用于量子计算(参考文献3)。量子计算机有潜力解决过去难以处理的问题。但是，在量子计算实用化道路上有一个巨大的障碍，这就是如何获取用于计算的微小量子信号。芬兰Aalto大学的一个小组建立了一种新型微波放大器，这一进展简化了观测工作。它采用了一种机械式谐振器，基本上就是一个纳米级的音叉。

MEMS

MEMS芯片已无处不在。它们告诉Wii控制器你正在挥舞自己的虚拟网球拍，告诉iPhone你正在摇晃手机。现在，它们正出现在预想不到的地方，包括雪镜和滑雪板(参考文献5)。意法半导体公司的MEMS集团用自己的三轴L3G4200D数字陀螺仪进入了这个市场。这种高集成度产品正在卸除模拟电路设计者的重负，帮他们通过串行总线连接各个传感器。

ASIC与ASSP

很多公司都有电源管理和模拟电路领域的专家，包括Cactus半导体公司，他们找到了医疗与便携系统市场中的产品价值。一个模拟电路设计者成真的梦想就是，创新让这种集成度成为可能(图3)。

图3，Cactus半导体公司的高集成度混合信号IC为电路设计者带来了新的设计概念。

Touchstone Semiconductor是2010年的一家新公司，它最初专注于销售针对其它制造商产品的直接替换部件，如Maxim Integrated Products公司和凌力尔特技术公司。最终，该公司将把已在开发中的专利产品推向市场。Touchstone公司首席执行官BrettFox表示，新开发产品中包括低功耗和低偏移的电流检测放大器。Fox称，这些产品面向现有的高端市场，使公司能够从客户那里获得收益与信赖。Touchstone用TSMC(台积电)作为代工厂，从而拥有了更多的灵活性和突出的性能，这通常是其它拥有最先进工艺半导体代工厂企业的特性。现在，Touchstone提供15种模拟IC，可替代部分Maxim系列产品。工程师可以用Touchstone替代器件代换Maxim的产品，以确保产品制造有稳定的供给，满足交货时间要求。模拟电路设计者向Touchstone和Maxim这样的创新公司寻求专用的高集成度ASIC和ASSP，以简化自己的设计工作。多种可用货源能帮助挑选一种设计的模拟器件。

ADC接口

SoC技术要求外设与处理器之间有平稳的接口。带高速串行接口的多通道ADC给模拟设计者带来了更多的挑战，即这些设备与处理器的高效连接(参考文献6)。例如，AnalogDevices的AD9219为VLSI设计提供了低成本、低功耗、小体积的简化实现，用于将数据从ADC传送给DSP。对于两个时钟域之间的同步问题，可以采用异步FIFO缓存，配合Gray码同步方式来实现。这种基于DSP的ADC接口可以做编程，因此它不仅是卸除处理负载的理想元件，也是主机的一个模拟输入信号预处理器。

经数字增强的模拟

在电源控制器设计中实现数字控制，可以使模拟电路设计者方便地监控电源转换器的多个工作参数。这些参数包括：输入电压和输出电压、输出电流以及温度，这只是很多可测关键参数中的一些基本参数。要像数字控制器那样实现相异的功能和电源转换需要的自适应能力，对于模拟控制器有更多的困难。数字控制器更容易实现这些功能，因为它们可以方便地对数据做数字化，供外部设备稳定地读出(参考文献3)。

德州仪器是数字电源方面的领导者，它为AC/DC和DC/DC设计提供灵活而可配置的数字电源产品。该公司为电源设计者提供广泛的产品组合，包括处理器、控制器和驱动器，还有面向任何数字电源系统设计挑战的模块化方案。无论你是在为AC/DC到DC/DC POL(负载点)系统设计隔离或非隔离式产品，德州仪器灵活、可定制及直观的数字电源产品组合都能实现各种设计。

模拟设计师们，振作起来吧！那些要求更小的体积、更长的电池寿命的新设计，或所有电子设备中的能量获取电源与性能的提升，都需要你们更多地参与。甚至在以前人们想不到的领域，如报纸，也需要你们发挥更大的作用。10年以内，你们会看到e-Sheet(电子纸张)，这是一种几乎不可毁坏的电子设备，它既薄，又可以像橡胶一样卷起(参考文献7)。全彩色的交互式设备需要少量电源就能工作，因为采用日光和室内环境光充电。不过，它将很耐用，并且只采用无线连接端口，所以可以整夜淋雨也没问题，冲洗、跌落等都不会损及它薄而极度柔软的外壳。

附文：

半导体工艺与设计

对于21世纪的半导体设计而言，硅工艺仍然是材料的选择吗？硅已经统治了20 世纪一半时间，而石墨烯是否可以成为半导体工艺的新星？石墨烯有出色的高迁移特性、很好的导热性，自然界中含量丰富；但用它来制造高性能晶体管，并将数百万只晶体管集成到一起，仍然是一个挑战。现在还没有找到一种可用于石墨烯、锗或其它特殊材料的稳定而无缺陷的氧化物。硅就没有这类问题。

事实上，对于数字应用，虽然人们认为硅可能已经走到了尽头，但SOI(绝缘硅)已经增强了器件和系统的性能。

尽管我们最终会使硅的尺寸接近于几个原子层大小，但新技术是不可避免的，不过在21世纪的很多年内，硅仍将是可预测的工艺选择，原因是其成本，自然界的丰富存量，以及微细机加工已经针对硅做了优化。除了这个事实以外，基于MEMS的传感器和变送器现在也用微制造法处理，以集成到AFE中。

在业内，半导体、LED和MEMS的晶圆厂和代工厂扮演着关键的角色。多年来，为建立这些复杂的前端晶圆厂而投入了巨大的资本。另外，还有些投资建立的晶圆厂是为了能够容纳更大的晶圆尺寸，以及技术结点的变动。不久以前还有开始再次投资主要设备的新闻。

有机晶体管

对未来模拟工艺的讨论必须包括有机晶体管。特别是OFET(有机场效应晶体管)，它可以在低温下制造，能够将IC做在柔性塑料基材上，并且可能以低成本覆盖大面积。

有机半导体可能很快会给电子应用展现出新的可能性，这是今天普通晶体材料(如硅)所不及的。有机半导体的一个巨大优势是能够以相对简单和廉价的方式，制造具有不寻常特性的电子产品，如晶体管、发光二极管或太阳能电池，并且几乎能做出任何尺寸的薄、软和透明的薄膜。

德州仪器公司

德州仪器公司在20 0 9年3季度宣布了RFAB的起动，这是业界第一个300mm的模拟晶圆厂，位于德州Richardson。今天，RFAB满负荷生产，每片晶圆可做出数千只模拟芯片。晶圆厂使用的模拟工艺技术包括LBC7，这是一种用于电源管理器件的线性BiCMOS技术；还有C05，这是已针对模拟产品优化了的180nm技术。

这个新的晶圆厂证明了，对模拟设计者来说，模拟、数字以及功率技术的整合(在高性价比点上)已变得多么重要。对于复杂而集成化模拟元件的需求不断增长，受此推动，该晶圆厂将把德州仪器的模拟技术能力推向新的应用和系统，如智能手机和上网本，直到计算与医疗系统。

LBC7不仅为模拟与功率产品提供了不同的特性，而且其自适应工艺流程还可配置用于简单芯片或更复杂、有相当大数字核心的定制混合信号器件。此外，LBC7还可以制造一系列模拟产品，以及有成本效益的电源管理器件。

NJR(新日本无线)已起动了“TheAnalog Master Slice service”(模拟主基片服务)，可以减少新模拟IC/LSI开发的成本和开发周期。

采用现有市售产品或定制产品，就很容易解决分立功能的集成问题，但这种技术“缺少功能”，客户“负担不起新项目的成本，以及开发周期”。现在，NJR提供了更多的设计灵活性，缩短了这些问题相应的开发时间。

模拟主基片服务可为客户提供原始的模拟半导体定制IC/LSI。它先制备出有预制晶体管、电阻、电容和其它器件的晶圆，然后按照定制要求加上走线层的玻璃掩模，完成原始IC/LSI的制作。由于采用了公共的主基片，因此减少了成本和开发周期。在布局设计完成后，一般ES(工程样片)的开发周期为4周。而标准的定制IC/LSI通常要花至少24周。

TSMC

TSMC已起动了台中的Fab 15GigaFab第三期建设，用于20nm工艺。

GlobalFoundries

GlobalFoundries确认了其在纽约州Saratoga County的Fab 8新工厂，将于2012年夏季开始逐步投产。该公司给出了计划的更多细节，准备在2013年从28nm转向20nm，最终达到14nm。

X-FAB

作为世界上模拟/混合信号半导体应用的领先代工集团，X-FAB创立了一种对典型代工服务的清晰替代方法，它结合了先进模拟工艺与混合信号工艺技术方面可信赖的专业知识，以及出色的服务、高水平的响应能力和一流的技术支持。X-FAB以模块化CMOS与BiCMOS工艺制造针对汽车、工业、消费、医疗和其它应用的晶圆，其尺寸从1.0μm~0.18μm，并有特殊的BCD、SOI和MEMS长寿命工艺。

在2011年11月，X-FAB发布了其新技术平台XP018，这是它最新的代工工艺，用业界最少的掩模数实现了数字、模拟，以及大电压特性与嵌入Flash的模块化组合。这是一家为能效应用提供产品的独一无二的代工厂，它第一个做到了高达60V工作电压的SoC集成，以及5V电源与嵌入NVM(非易失存储器)的组合。它实现了新一代可靠而高效的电源管理、数字控制，以及其它功率控制SoC应用。

Austriamicrosystems公司运行着位于奥地利的一个8英寸晶圆厂，专注于以模拟混合信号工艺满足客户的需求。Austriamicrosystems公司于2011年收购了TAOSwas。Austriamicrosystems公司有业界基准的0.18μm高电压CMOS技术，提供业界第一个RF(射频)集成与高密度SoC能力。所谓的H18工艺技术将用于制造IBM的200mm Burlington晶圆设备，并已在今年初宣布量产。0.18μm高电压CMOS工艺为与IBM合作研发，是austriamicrosystems连续改进的第六代高电压CMOS技术。

所有这些对模拟设计者都意味着更小、更低功耗、更低成本和高集成度的IC，可以用它们设计出手持设备与医疗植入市场上原来不可想象(因成本约束与物理尺寸等问题)的新产品。

现在，模拟IC设计者面临的挑战是，要尽快让电路设计者获得这些先进工艺IC的解决方案。

IC设计者的挑战及他们的工具

如果不讨论I C 布局与设计工具，尤其是最新/最小的工艺技术，如45nm和28nm工艺，那么就不可能讨论简化模拟电路设计者的工作问题。业界在比预期更快地转向20nm。模拟电路设计者需要尽快获得最新的高集成度混合信号IC，以开发出满足客户需求和预期的下一代新产品方案。

新的模拟时代正伴随着纳米技术而到来。一个例子是多媒体应用处理器的需求正推动着低纳米区间的CMOS技术发展。对于有高性能PLL、千兆采样高速串行链路，以及嵌入电源管理的先进SoC来说，模拟远不只是一个重要的组成部分。MOS器件性能正在超越模拟设计者的想象。这些性能为新的应用铺平了道路，如嵌入mmW，以及数字增强的模拟功能等，以获得新的市场机会。

Cadence公司在推广一个混合信号设计的更高效方案，它充分利用了一种整合的混合信号方法，其中，早期设计规划、前端设计、功能验证、物理实现以及封装等都分享了模拟与数字团队之间的责任。

EDA360是EDA业的一个新的梦想，Cadence通过对软件应用的理解，将其用于一个确定的软硬件平台，定义系统需求，然后用自己的方式一直做到软硬件IP创建与集成。

EDA360支持以下三种功能：

系统实现：EDA360采用一种应用驱动方案做系统实现。开发人员先对应用做设想，然后在系统级做设计，再做软件，最后建立或购买硬件。

SoC实现：系统实现是产生一个用于应用部署的完整软硬件平台，而SoC实现则是确保成功地开发出一个满足系统需求的SoC。SoC实现需要高品质数字、模拟与混合信号硅IP的选择与整合。

硅实现：硅实现远超过了传统“混合信号”设计的范围，通常涉及到将硬件模拟宏单元输入到一个数字SoC中。它还包括创建全定制数字、模拟与RF IP块和IC。并且，它还意味着将各个块(在前代工艺中每个都是一个芯片)集成到SoC中，以支持各种功能(图2)。

Magma Design与富士通半导体公司

Magma Design Automation是芯片设计软件的供应商，它宣布自己的Titan ADX(模拟设计加速器)已被富士通半导体公司采用。该软件将用于把各种模拟IP(知识产权)优化和移植为新的设计规范与工艺。它将提高设计者的生产率，加快SoC的周转时间，并减少模拟设计与重用的成本。

富士通半导体公司提供各种LSI(大规模集成)电路，用于汽车、消费、工业、网络，以及无线应用。通过采用Magma新的Titan ADX，现在该公司能够最大限度减少开发时间。Titan ADX的优化技术与该公司现有的模拟设计无缝地整合，现在可以非常快地改变规范，如减少一个LSI设计的功率预算，并将模拟IP移植到新的工艺上。这一设计流效率的增强使他们能够及时地提供下一代LSI电路，同时降低开发成本。

与基于仿真的耗时的优化工具不同，Titan ADX采用了对一个模拟电路的独特高级抽象，叫做一个FlexCell。它将这个抽象用在一个先进的非线性、基于约束的优化算法中，使设计者能够快速而简便地将IP移植到任何工艺上，并针对特定功率和面积要求而优化电路。