淺析模擬與數(shù)字集成的發(fā)展與挑戰(zhàn)

摩爾定律的縮減現(xiàn)象體現(xiàn)了數(shù)字領(lǐng)域不斷增長(zhǎng)的集成化趨勢(shì)。晶體管幾何尺寸(節(jié)點(diǎn)大小)日益縮小意味著更多功能可被集成到同一芯片上。芯片尺寸越小，功耗越低，使得在能量和熱量方面的進(jìn)一步集成更具可行性。其結(jié)果是更快更強(qiáng)大的微處理器、更高密度的存儲(chǔ)設(shè)備以及功能更強(qiáng)大的系統(tǒng)級(jí)芯片SoC實(shí)現(xiàn)了集成，不久前還需要一塊或多塊電路板組成的集成電路，現(xiàn)在卻能全部集成到單一芯片上。最近，集成已經(jīng)開(kāi)始涉及將模擬功能與數(shù)字功能模塊集成在同一芯片上，包括基本比較器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、 傳感器、混合器、 模擬多路復(fù)用器等。本文將從這個(gè)角度探討模擬集成的優(yōu)勢(shì)。

得益于摩爾定律，集成為數(shù)字電路設(shè)計(jì)師創(chuàng)造了眾多優(yōu)勢(shì)， 例如提供減小封裝的有利條件(電路板空間)、降低功耗、提升性能、降低成本等。

將模擬電路集成到典型的全數(shù)字集成電路中，可以降低模擬電路設(shè)計(jì)中固有的不確定性。芯片供應(yīng)商提供在特定參數(shù)內(nèi)性能良好的有界構(gòu)建模塊。通常情況下，集成構(gòu)建模塊在傳統(tǒng)的離散級(jí)模擬電路中可以定制并動(dòng)態(tài)修改，當(dāng)然即使可實(shí)現(xiàn)，也比較困難。芯片制造商通過(guò)對(duì)一些典型的最差應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試、描述及說(shuō)明，幫助解決了很多典型的模擬設(shè)計(jì)問(wèn)題。集成令設(shè)計(jì)師能夠更加精細(xì)地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

集成的易用性及預(yù)驗(yàn)證特性有利于縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)間，同時(shí)減少進(jìn)行單個(gè)分立元件選擇以及計(jì)算、核對(duì)組件參數(shù)的時(shí)間，從而加快產(chǎn)品上市速度，最終提高盈利的可能性。

雖然模擬集成以混合信號(hào)專用集成電路(ASIC)和標(biāo)準(zhǔn)單元集成電路的形式存在了多年，但其近期開(kāi)始在更為主流的專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)設(shè)備中得到應(yīng)用。隨著越來(lái)越多的芯片供應(yīng)商將各種級(jí)別的模擬功能模塊集成到之前的全數(shù)字集成電路當(dāng)中，幾乎所有的微控制器和微處理器都已具備某種級(jí)別的模擬集成。此外，還有一些設(shè)備集成了不同形式的可編程模擬邏輯模塊如現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)和可編程片上系統(tǒng)(PSoC)等。

然而，我們必須深刻了解模擬和數(shù)字電路融合過(guò)程中的固有難題。

人們一直在持續(xù)努力縮小數(shù)字功能模塊尺寸，以提供更高密度及更低功耗。然而，數(shù)字處理模塊尺寸縮小可能導(dǎo)致較差的模擬特性。

設(shè)想一塊需要由高速模擬功能模塊與高密度數(shù)字電路系統(tǒng)混合組成的芯片，該芯片的兩個(gè)組成部分所需技術(shù)不同，適用于低功耗、高密度數(shù)字電路的最佳工藝不一定適合高速模擬電路。一旦其工藝節(jié)點(diǎn)只有或低于28nm，便不再具備最佳模擬特性，這將可能減緩未來(lái)混合信號(hào)的集成化水平，甚至扭轉(zhuǎn)這一發(fā)展趨勢(shì)。

即使有時(shí)候在數(shù)字優(yōu)化集成電路上部署模擬功能模塊存在技術(shù)可行性，但從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看卻可能不利于實(shí)現(xiàn)。模擬功能模塊在130nm及以上工藝節(jié)點(diǎn)可能能夠以相當(dāng)?shù)偷某杀玖己眠\(yùn)作，然而如果僅僅為了提升集成化的水平而將其工藝節(jié)點(diǎn)降至45nm及以下，那么可以想象模擬功能模塊性能將如何。

對(duì)于配備了通用微控制器，且在分離裝置中安裝了模擬功能模塊的系統(tǒng)，其組件更易進(jìn)行更換或找到其他貨源。如果微控制器不包含模擬功能，該微控制器便可由該系統(tǒng)中具有同等功能，能夠控制并與模擬子器件通信的任一微控制器代替;同樣如果系統(tǒng)中的部分或全部模擬器件是分離狀態(tài)，只要能夠獲得更好的集成電路，便可用等效元件替代使用。

相反，如果微控制器包含集成模擬組件且提供特殊用途，那么就不可能從另一家制造商那里找到具有完全相同功效的微控制器。通過(guò)部署功能模塊，設(shè)計(jì)人員能夠準(zhǔn)確地控制系統(tǒng)的功能。而 “一體化”集成微控制器則使設(shè)計(jì)人員受限于設(shè)備所具有的組合特性，例如：當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要三個(gè)模擬轉(zhuǎn)換器，而系統(tǒng)微控制器只允許安裝兩個(gè)的時(shí)候，設(shè)計(jì)人員就必須添加一個(gè)外置模擬轉(zhuǎn)換器或者更換微控制器;另一方面，如果微控制器提供的功能或接口在實(shí)際設(shè)計(jì)中并未使用，那么這些功能(以及微控制器額外成本和復(fù)雜特性)就被完全浪費(fèi)了。

最后我們探討一下采購(gòu)的靈活性問(wèn)題：模擬設(shè)計(jì)一直被視為一項(xiàng)專業(yè)技術(shù)。通常情況下，高密度數(shù)字集成電路均來(lái)自專業(yè)技能。在某一領(lǐng)域掌握特定技能的公司一般都很難在另一領(lǐng)域占有同樣的優(yōu)勢(shì)。這也就是為什么很難看到在兩個(gè)領(lǐng)域同時(shí)具有相同競(jìng)爭(zhēng)力的公司。

總之，隨著電路系統(tǒng)和功能模塊范圍越來(lái)越廣，模擬集成具有的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)不容忽視，應(yīng)該予以重視。然而，要將模擬電路整合到數(shù)字IC基板上十分困難，設(shè)計(jì)人員需要權(quán)衡不同的性能，而且有時(shí)候模擬性能無(wú)法滿足應(yīng)用設(shè)計(jì)需求。通過(guò)e絡(luò)盟平臺(tái)，設(shè)計(jì)人員能夠非常方便地與全球信號(hào)處理方案的領(lǐng)先供應(yīng)商進(jìn)行溝通，且可任意使用e絡(luò)盟平臺(tái)提供的廣泛優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品系列和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、放大器及電源管理解決方案等。