模拟半导体今年不会“冷”

　　最近有许多有关模拟方面的重大新闻，如美国开始研究需要用无线的方式将电能传输到地球的空中太阳能的开发利用，还有MEMS振荡器取得了突破性进展等等，这些都激励我关注新的一年中模拟产品的发展趋向。虽然从各个方面传来的信息来看，今年的半导体市场不怎么乐观，但很多公司和预测机构却调高了对模拟半导体的预期，认为今年的模拟IC将会获得不俗的发展。这些趋势似乎从大型IC厂商的行动中也能寻得一点蛛丝马迹，如，TI在前不久加大在模拟领域的研发投入和宣传攻势，ADI出售数字业务，而将经历集中于其核心的模拟业务。

　　模拟所包括的范畴很广，包括放大、比较、驱动、衰减、滤波等的信号调理产品，实现各种信号转换(包括接口转换)的转换产品，作为各类时基基础的频率源相关的产品，实现模拟世界各种参量采集的传感器产品，还有一大类就是无处不在的电源及功率管理产品。

　　那么，为什么各机构对今年模拟半导体的发展有较好的预期呢？其主要依据是对今年各种平板电视和显示器，GPS以及手机电视的市场需求有较好的预期。但在这些模拟产品领域，又会有什么样的发展趋势呢？

　　信号调理产品的速度更快，功耗更低

　　笼统地讲，可以把运算放大器和ADC都归入到信号调理的范畴。美国国家半导体公司全球营销副总裁Jeff Waters认为，今年，工程师或设计师对低功耗的模拟器件的需求将会更加渴望。“今年市场上将需求消耗电流更低的、速度更快的运算放大器，以及功耗降幅较大的高速ADC。这些器件在相同功率条件下，所能处理的带宽比现有器件高4倍。应该具备处理高清视频广播的能力，”他说，“另外，根本不需要功率的电缆均衡器也将是今年的热点模拟产品。”他还补充说明如此认为的依据是今年的带有视频功能的便携产品将会有一个不俗的发展。除此之外，通信领域也会取得不俗的发展，复合增长率可以达到18%，主要集中在Wimax和3G/4G手机领域，以及PoE供电方面。另外还有一个支持模拟产品有较好发展的领域是复合增长率将连续5年不低于10%的汽车电子领域。

　　图１：采用自适应电压调节技术的PowerWise提高了能量利用效率。

　　图２：具有数字可编程的LP3906的效率高达96%。

　　电源和相关管理产品效率更高，灵活度更高

　　基于无处不在的性质，电源产品始终在模拟产品中一致占据重要的地位。也毫无疑问，电源产品将一直向更高效率和更加智能的方向继续迈进。Jeff Waters认为，能量的充分利用将不仅是自身的事情，更深远的意义在于它将对设计决策带来的巨大影响，从而激励出许多创新设计。“因此，新的一年里，人们将继续关注能量效率和功率密度，更高效率的开关调整器将会与其他降低总功耗和体积的各种新技术一道涌现。”为了加强他的判断，这里他还给出了几个具体数据。他认为，今年，估计消费电子类对高效率的开关调整器的需求的复合增长率将达到19%，而除了MP3、PMP、数码相机和液晶电视外的其他一些便携式产品的需求增长将更高。“由于消费者需要体积更小，效率更高和集成度更高的产品，故能量效率和集成度是最为重要的，”他说。

　　但从另一方面，必须看到，如今效率都已经接近进一步提高的极限。近几年，各大电源芯片厂商都在致力于开发提高能量利用效率的新技术，但仅仅依赖电源芯片自身来进一步提高效率的潜力有限，要在效率方面寻求新的突破，则必须改变传统的思路，采用全新的方法，从整个系统层面上来全面考虑整个系统的功率预算和效率提升，为电源管理芯片增加更多地智能，从系统的各个方面来落实系统的能量利用效率。基于这种局限，估计在新的一年中新的管理技术会不断涌现。

　　图3：Linear公司的开关型PowerPath的电路示意图。

　　实际上，各大模拟生产厂商目前已经在开始落实提升效率的思路改变。比如，NS最新推出了PowerWise系列产品。包括具备智能化的电源管理芯片，不同带宽的低功耗放大器，低功耗高速ADC，以及相关的各种接口芯片。其核心思想就是通过整体的配套优化，使能量利用效率进一步提升。PowerWise采用自适应电压调节(AVS)和阈值电压调节等技术，将数字逻辑集成电路的工作和泄漏功耗自动降至最低，同时保持最小的系统开销。“我们的PowerWise家族中的高效率器件种类目前已经超过了400款，包括智能的自适应能量管理器件，这些器件具有业界出色的性能功率比，”Jeff Waters介绍道，“另外，NS是LVDS的发明者并且在低功率解决方案方面占据着领先地位。采用PowerWise家族中的低功率放大器和ADC，以及毫瓦级的千兆级数据率的接口，这些器件的相互配合能够组成功耗最低的电子系统。”据了解，有机构在使用和没有使用PowerWise自适应电压调节技术的情况下，对采用Linux操作系统和常规MPEG4解码软件的ARM926系统芯片进行评测。在上述两种情况下，采用ARM Intelligent Energy Manager解决方案将处理器内核频率在60MHz至240MHz范围内调节。系统芯片采用TSMC 130nm常规CMOS工艺，并利用标准单元设计流程和Synopsys设计工具进行设计。与采用相同硬件和软件的系统相比，PowerWise技术可将处理器能耗降低70％。

　　表1：Linear公司USB电池充电拓扑结构的比较。

　　实际上，凌力尔特公司最新推出的PowerPath充电系列产品强调的也是这一点。该公司功率管理产品副总裁兼总经理Donald E. Paulus认为：通常，设计师在设计过程中，是以彼此独立的方式来考虑各个放大器和其他元器件，可是到了系统集成起来后，就会面临许多系统级问题。如热插拔、系统过热、负载上的浪涌电流过大以及过大的冲击电压等。解决的理想办法是统筹考虑。“开关型PowerPath通道管理是电源通道管理技术的最新突破”，Donald介绍说，“目前PowerPath的应用增长很快，因为它能够满足如今的手持设备中功能集的不断扩展。目前，线性电池充电器也正在让位于具有线性和开关功率控制的充电器，这就像线性调节器让位于开关电源一样。”另外，他还补充道：“该技术的核心优势是在改进功率提供效率的同时，保持了线性电源通道的优点。由于它没有线性电池充电器的功率损失，这对于采用低电压电池或者输入功率受限(如USB)的应用来说非常关键。”

　　LED驱动和MEMS技术亦有更好的表现

　　虽然MEMS并非新话题，但该技术真正取得突破性进展是在最近两年，因而不少人士看好新的一年中该技术的表现。目前MEMS振荡器已经取得了突破性进展，已经成为同等价格中体积最小的振荡器，可以彻底取代石英器件，而且具有极佳的可靠性，非常稳定，且抗冲击和振荡的性能也是最好的，同时能够实现更高的品质因数。更为重要的是，MEMS在工艺上目前也取得了突破，使其能够集成到CMOS工艺中，这将是模拟设计中划时代的突破，因为再也不需要外部复杂的振荡器的设计。另外，还注意到，该技术从军用向民用转移的速度有所加快，特别是向手机这类消费品的转移。随着手机里的MEMS麦克风和加速度传感器的采用的日益增加，还有汽车电子中传感器用量的增加，都为该技术今明两年的快速增长奠定了基础。

　　另外，Jeff Waters还认为LED也是近年模拟产品发展的一个亮点。“LED将继续发展，终将代替传统的照明，”他说，“今年LED驱动的发展目标是实现从电源线上的直接驱动，这将有利于从插座式的白炽灯向具有更长使用寿命的高效率LED的转变。”