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(lèi)型電路-主要是數(shù)字、混合信號(hào)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(lái)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(lái)的重要關(guān)注點(diǎn)。這有幾個(gè)原因：首先消費(fèi)電子產(chǎn)品特別依賴(lài)于將多個(gè)分離芯片集成到一個(gè)IC中來(lái)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(guò)減少系統(tǒng)中器件數(shù)量來(lái)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(dòng)電話(huà)、數(shù)碼相機(jī)和高端音樂(lè)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(gè)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(chǔ)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(wèn)題，并能有助于提高開(kāi)關(guān)速度。


然而，這些小的低電壓晶體管不適合其它類(lèi)型的電路。一個(gè)例子就是電源管理：開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器(DC-DC變換器)、LDO線(xiàn)性調(diào)節(jié)器以及電池充電器都需要能承受相對(duì)更高的電壓和電流的更大晶體管?；旌闲盘?hào)功能，例如音頻編解碼器，是另外一類(lèi)具有其特殊要求的電路，因?yàn)檫@些電路處理的是模擬信號(hào)，晶體管噪聲是關(guān)心的主要問(wèn)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(hào)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(xiàn)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(lái)滿(mǎn)足，其結(jié)果是不同類(lèi)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(gè)系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)上。然而實(shí)際上，這會(huì)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(méi)有專(zhuān)用混合信號(hào)IC那么好，特別是對(duì)于高保真音頻應(yīng)用來(lái)說(shuō)。集成到這種SoC上的電源管理功能比專(zhuān)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(wèn)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(lè)播放器。


一個(gè)可選的策略是在一個(gè)芯片中集成混合信號(hào)和電源管理功能，而數(shù)字邏輯部分則獨(dú)立開(kāi)來(lái)。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(zhuān)用電路類(lèi)型的除外)。同時(shí)，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?hào)和電源管理都使用模擬器件同樣的晶體管，都關(guān)心模擬性能，而不是僅僅單純?cè)谝粋€(gè)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(hào)音頻電路為驅(qū)動(dòng)微型喇叭，通常其工作電壓和電流較高。


混合信號(hào)和電源管理電路在它們的設(shè)計(jì)方法上有很多共同之處，都需要基于每個(gè)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(guò)眼和耳來(lái)根據(jù)某些模擬特性對(duì)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(guò)仿真來(lái)預(yù)測(cè)。模擬IC設(shè)計(jì)工程師很重視這個(gè)問(wèn)題，通常手動(dòng)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(jí)的方法不可或缺。另一方面，數(shù)字IC的設(shè)計(jì)與軟件的開(kāi)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(yǔ)言(如Verilog或VHDL)的抽象定義中自動(dòng)產(chǎn)生，這很大程度上將數(shù)字設(shè)計(jì)工程師從對(duì)電路中每個(gè)晶體管的考慮中解脫出來(lái)。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(shí)別0和1之間的中間值。在很多情況下，對(duì)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(hào)結(jié)合起來(lái)還是帶來(lái)一些新的問(wèn)題。只有采用開(kāi)關(guān)電源才能獲得當(dāng)前便攜式設(shè)備的功率效率，而開(kāi)關(guān)電源本身會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)噪聲問(wèn)題。將音頻或視頻功能放在同一個(gè)芯片上使得這些噪聲很容易影響模擬信號(hào)，降低終端用戶(hù)的聽(tīng)覺(jué)或視覺(jué)體驗(yàn)。幸運(yùn)的是，混合信號(hào)設(shè)計(jì)工程師已經(jīng)找到了解決這種問(wèn)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(kāi)關(guān)噪聲。他們開(kāi)發(fā)出保護(hù)敏感模擬信號(hào)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(huì)被來(lái)自其它電路模塊的噪聲或干擾所影響。因此，電源管理專(zhuān)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(hào)電路性能最普遍的問(wèn)題與電源的穩(wěn)定性和質(zhì)量直接相關(guān)。例如，通過(guò)使電源工作在那些混合信號(hào)功能不敏感的頻率來(lái)解決開(kāi)關(guān)噪聲問(wèn)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(jiàn)系統(tǒng)功耗的陡增。這樣的功率浪涌通常是由于音頻信號(hào)的聲音峰值造成。


縮短電源反應(yīng)時(shí)間減少了對(duì)存儲(chǔ)電荷的高價(jià)格大電容的需求。這樣一來(lái)，設(shè)計(jì)工程師可以采用更小、更輕和更便宜的電容。在一個(gè)模擬IC中集成電源管理和混合信號(hào)功能從經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上都有明顯的意義。克服開(kāi)關(guān)噪聲是這種集成器件成功的關(guān)鍵，系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)有助于使這種方案比分離器件有更大的優(yōu)勢(shì)。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(huì)。