模擬電路的演變發(fā)展

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

數字是信息 - 電壓和電流的數值在數字電路中無關緊要，只要輸入和輸出正確即可。在一個數字電路中，信號是如何從輸入到達輸出的并不重要。數字電路可以是門陣列、微處理器或分立式邏輯器件，只要它們正確運作就行。模擬功能部件則考慮到了實際的參數。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。因此對于模擬電路而言，怎樣將輸入信號變成輸出信號是至關重要的。

面向數字 IC 的工藝創(chuàng)新對模擬 IC 產生了極大的影響。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品的第二供貨源。針對模擬 IC 的這些工藝改進不僅涉及晶體管尺寸，而且也關乎工藝復雜性。模擬 IC 常常是利用多達 50 個掩模層來制造的，并包含了雙極、CMOS、薄膜晶體管、以及實現(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字 IC。模擬 IC 的某些參數 (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。大電流運作要求使用大面積晶體管，而縮小參數的做法并不會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現(xiàn)器件的正確運作。因此，模擬電路更多地與其執(zhí)行的功能實施物理連接。

而且，最初專為數字 IC 而設計的密度改進方案也已被模擬 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現(xiàn)的新型晶體管的應用便蓬勃發(fā)展起來。以低功率運行于千兆赫茲 (GHz) 頻段的高速 RF 電路如今已很常見。具有超過 20 位之分辨率的模數轉換器，或者工作頻率達千兆赫茲的轉換器就是在生產工藝中使用了快速小型 CMOS 晶體管的直接結果。由于這些細線工藝的成本由于其所支持的巨量數字電路而降低，因此采用這些工藝生產的模擬電路將繼續(xù)在成本效益性上更勝一籌，而且使用范圍更加廣泛。工作頻率達數兆赫茲 (MHz) 且效率超過 95% 的開關穩(wěn)壓器就是使用了細線晶體管的結果。較小的晶體管尺寸使得模擬 IC 能夠內置大量的數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。運放的速度和 DC 精度有所改善。線性穩(wěn)壓器 (LDO) 具有一個較低的壓差、較低的電源電流和模擬監(jiān)視輸出。針對線性穩(wěn)壓器的新型架構可在無需專用外部電路的情況下實現(xiàn)器件的并聯(lián)以及至零輸出的調節(jié)能力。一款特別有趣的新型 LDO 在 10Hz 至 100kHz 的頻率范圍內具有 1µV 的輸出噪聲，這一指標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。除了在單芯片內實現(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的穩(wěn)步演進過程。在今后的 10 年乃至更遠的未來，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。