2007年1月初,美国苹果公司的iPhone手机在全世界的惊艳目光中闪亮登台。尽管竞争对手对之不乏微辞,但简洁时尚的外形、3.5英寸1,670万色的TFT触摸屏、4GB/8GB的内存容量、200万像素的摄像头、支持Wi-Fi和蓝牙无线传输,以及最长16小时的音乐播放时间和最长5小时的视频播放时间等,还是紧紧扣住了用户的心,从多方面满足了用户对手机的外观设计、方便视频观看的大屏幕、更大的存储容量、方便的拍照和内容传输以及较长电池使用时间的需求。
简而言之,iPhone可为用户提供前所未有的应用体验。这既是从计算机、通信到消费电子等领域的数字设备近年来不断强调以用户体验为本的必然结果,也将这股浪潮推向了一个新高。从更广的角度看去,不光是iPhone,从数码相机、数码摄像机、MP3播放器、便携式媒体播放器到高清电视、机顶盒、硬盘录像机等一系列,无不强调要为用户提供更佳的应用体验。
模拟技术至关重要
在这些风起云涌的数字设备背后,诚然微处理器(MPU)、数字信号处理器(DSP)和微控制器(MCU)等数字芯片提供了强大的处理能力和足够的带宽,但在提升用户体验方面,模拟技术同样是至关重要。以数码相机为例,其拍摄的图像质量取决于相机模拟前端中的高性能数据转换器能否降低图像噪音和增加动态范围。
又如,数字手机在从2G、2.5G向2.75G和3G甚至超3G方向发展,为了迎合消费者的需要,其集成的功能越来越多,如MP3播放、拍照、移动电视和GPS等,相应地对模拟功能的要求也越来越高。例如,为手机集成高分辨率拍照功能需要更佳的模拟图像处理、图像稳定性和变焦/缩放控制,以及支持这些功能所需的数据转换和放大。而为了方便用户观看屏幕,手机也需要先进的LCD背光驱动器件。此外,先进的电源管理和电池充电IC,以及先进的多频多模射频和模拟接口功能也至关重要。
厂商竞掘“高性能模拟”金矿
根据美国半导体行业协会(SIA)的世界半导体贸易统计数字专刊(WSTS)的资料显示,模拟IC可分为两个不同的领域,一是面向垂直市场的专用标准产品(ASSP),面向的是消费电子、计算机及其外设、通信、汽车和工业控制等应用领域,大约占据60%的模拟IC市场份额；二是面向大众市场的标准线性模拟芯片,主要包括放大器、接口电路、数据转换系统和电源管理芯片等四大类,共占据着余下的约40%的市场份额。
众所周知,模拟技术领域需要很深的技术积累,具有相对较高的门槛；而与数字芯片业务相比,模拟IC因市场需求波动所受到的影响也相对较小。特别是随着模拟技术日趋成为区分数字产品成功设计的关键,欧美众多半导体公司纷纷将“高性能模拟”作为其业务重点,并在其中贯彻着各自的业务策略,其中德州仪器(TI)、美国模拟器件公司(ADI)和美国国家半导体(NSC)等老牌半导体公司在这方面的表现犹为惹眼。
如NSC在2003年开始专注于高性能模拟业务,如主营Geode系统微处理器的信息家电业务部门、PC Super I/O部门和在欧洲的无线业务部门相继出售。在模拟IC业务策略上,该公司将研发重点方面标准线性产品方面,并致力于开发更多样化而又具有更高产值的产品；此外,该公司也通过重新部署并放弃研发一般称为“通用器件”的产品,即其他厂商也生产的产品,这方面所占的比重已经持续下降至20%左右。
图1:信号链示意图。
而TI的高性能模拟产品亚洲区市场开发经理Jackie Wu则回顾道:“TI早在2001年就成立了高性能模拟产品部,并自2003年以来成为了这个领域的领导厂商。”
针对市场上一般相信大公司不如小公司那样能够针对客户需求作出积极响应,Jackie表示:“我们始终告诉自己TI是一个小公司,为的就是让自己能够针对不同客户的需求作出快速反应。”他认为,TI在高性能模拟技术方面具备众多优势,如完整的产品线覆盖到信号链的各个环节、拥有自己的工厂产能和完整的工艺技术等。他强调,TI目前已经投产的三种分别着于高精度、高速度和高功率的工艺中,HPA07高精度模拟CMOS 工艺为通信及其他系统实现了极低噪声的性能,这些系统的模拟与高速度数字功能必须与最小的信号干扰共存；BiCom III高速BiCMOS工艺专为信号调节及数据转换方面的超高频操作而设计；0.35微米LBC5功率BiCMOS工艺能够集成各种组件,其中包括功率晶体管、CMOS逻辑、双极晶体管以及无源元件等,这就实现了电源管理设备所采用的全功率范围、控制与保护电路。
其它公司如凌力尔特(LTC)、Intersil和Atmel等也都非常重视模拟芯片业务的发展。凌力尔特电源产品部产品市场经理Tony Armstrong表示:“在凌力尔特所专注的高性能模拟产品市场区段中,与竞争对手产品的重叠相对较小。在这些市场上,大多数产品都是专有的,没有可以直接替代的产品。”
他认为,该公司不断取得成功的关键就在于保持其对高性能模拟IC的独特专注性以及对主要市场发生的变化保持关注并快速灵活地作出响应等因素。
此外,Atmel的模拟配对产品部总监Christian Dupuy也透露,为了充分发挥不同半导体制造技术的优势,该公司会在短期内把高性能模拟IC部门独立出来。他解释说:“这意味着我们已经开始将模拟和数字IC分开,并会开发一系列模拟配对IC产品,与我们的微控制器相辅相成。这种模拟配对IC采用特殊的工艺技术,着眼于提供最佳的性能；而微控制器则采用标准的CMOS技术,重点在于缩小产品的尺寸。”而在日本公司方面,富士通微电子(上海)有限公司负责模拟产品的产品经理王韵表示,该公司模拟器件事业部致力于开发面向各类电子产品的电源管理IC,以高性能、高可靠性以及全面的产品线来满足客户的各种要求。据称,富士通的电源管理IC市场份额在日本国内厂商中雄居榜首。
另一方面,除了这些老牌模拟半导体公司,凭借着贴近市场的优势,大中华地区的模拟芯片公司也迅速增多,无独有偶,这其中主要还是从事电源管理芯片设计的公司,如台湾地区的Richtek、沛亨、茂达、崇贸、安茂、致新、圆创(3298)和擎力等20多家公司,中国大陆也涌现出诸如北京思旺电子、深圳美芯科技、上海昂宝电子、龙鼎微电子和哈尔滨圣邦微电子等。此外,中国大陆也涌现出了一些射频芯片设计公司,如广州广晟微电子、上海鼎芯科技和锐迪科微电子等。以昂宝电子为例,该公司CEO陈志?挪┦勘硎荆骸拔颐堑牟呗允且缘缭垂芾硇酒?为切入点,立足高效节能的产品特色,定位于高端电源管理领域；待条件成熟后,再逐步涉足高速、高精度的数模转换芯片、射频芯片及系统级芯片等几大领域。
不过,大中华地区的这些公司还有待市场的检验,且正在开始或主动或被动地卷入全球半导体产业的整合浪潮之中。如半导体产业鼻祖之一的飞兆半导体在2007年初宣布对崇贸科技提出收购,而在2006年美国研诺逻辑(AATI)也2,200万美元收购了上海智芯科技旗下从事电源管理业务的崇芯微电子公司。
而从市场表现来看,老牌半导体公司不断交出亮丽的成绩单。以NSC为例,该公司自2003年以来相继出售一些业务部门,并专注于高性能模拟业务。该公司2006财年的营收达到21.6亿美元,同比增长13%,毛利率更高达60%；而其最新公布的2007财年第1季(6-8月)和第2季(9-12月)毛利率也分别高达61.7%和58.9%。该公司称,这些数据显示了其专注于高性能模拟业务策略的正确性。
而TI最新发布的财报也充分显示了高性能模拟业务的重要性。该公司2006年销售额达到了创记录的142.5亿美元,同比增长16%；其中,相比因无线需求不振而导致波动的数字芯片业务而言,该公司2006年的高性能模拟产品线的销售额增长了33%,并提升了整个公司的利润率。
此外,根据飞兆半导体在1月底发布的财报,该公司2006年全年收入为16.5亿美元,比2005年的14.3亿美元增加了16%。飞兆半导体总裁兼首席执行官Mark Thompson表示:“2006年,我们的模拟开关销售额增长超过55%、视频滤波器增长26%,使到模拟产品部(APG)的销售额比上年增长20%。”这同样显示模拟产品对其业务收入贡献不俗。
从整体市场来看,根据研究公司iSuppli近期发布的一份报告,全球半导体市场2007年的营收将在2006年2,585亿美元的基础上增长10.6%,达到2,858亿美元。这其中,模拟IC的营收预计从将2006年的423亿美元增长至2007年的近470亿美元,增幅达到11.2%,超过半导体市场的平均增长水平。
提升用户体验,模拟IC百舸争流
如上所述,从宏观来看,模拟IC市场玩家众多,策略有异有同,整体市场增长前景也较乐观。而从微观来讲,不同供应商也争相推出各种更高性能的模拟IC产品,不遗余力地为数字消费设备增强用户体验作出贡献。
1)放大器。放大器主要包括通用、高速及高精度等三大类,其主要作用在于调节模拟信号,确保整个信号读取及处理过程不受周围的噪声或其它信号的干扰。其中,音频放大器有其独特作用,将来手机、光盘或MP3播放顺的微弱数据流调节,然后将信号加强,以便驱动扬声器及耳机,确保播出的声音清脆亮丽。
以目前炙手可热的D类音频放大器为例,ADI在2006年中推出了两款D类放大器,以满足便携电子设备低功耗、小尺寸以及不断增长的高保真音质的设计需求。SSM2301(单声道)和SSM2304(立体声)放大器在多种输出功率范围内工作效率高达85%。SSM2301接8Ω负载提供1.4W输出功率； SSM2304接4Ω负载提供2W输出功率。两种放大器都采用2.5V～5.5V单电源供电,具有20nA待机电流最大值微功耗待机模式,并且内置过热待 机和输出短路保护电路。该公司精密信号处理产品线总监Steve Sockolov表示,"虽然大多数D类放大器采用某种脉宽调制(PWM)变换,而ADI的D类放大器则采用Σ-Δ脉冲密度调制(PDM),以减小高频频谱成分的幅度,从而将EMI的影响降到最低。"
而TI也相继推出了面向便携式应用的固定增益D类音频功率放大器TPA203xD1系列。该系列实现了实现了高达88%的效率,能够用5V电源配合4欧姆电阻驱动2.75W功率,A级加权噪声底限仅为27μVrms。该放大器采用小巧的1.5×1.5mm WCSP封装,印制电路板的占用面积仅为2.5毫米×1.7毫米。这些D类音频放大器在帮助实现更出色的音频体验的同时,同时还可节省板级空间,非常适合强调尺寸小巧的便携设备应用。
根据市场研究公司Forward Concepts于2006年发布的《音频芯片市场:多媒体基础》报告,TI以40%的市场份额在D类音频放大器市场位居首位。其它公司,如美信、Cirrus Logic、Zetex等也纷纷面向便携应用或台式电脑、笔记本电脑和液晶电视等应用推出了最新的D类放大器产品。据NXP公司标准IC业务部接口产品线总经理Dhwani Vyas介绍,该公司预计也将很快推出低功耗的D类放大器产品。而Atmel的Christian也透露,该公司计划在2007年面向便携式多媒体产品推出D类放大器。
实际上,除了面向这类消费应用推出最新放大器产品直接帮助提升用户体验,这些模拟IC供应商还纷纷面向测试测量、汽车电子、医疗电子和工业控制等应用推出新颖的放大器产品。如凌力尔特在今年1月底面向多电流检测应用推出了内含两个独立高端电流检测放大器的产品LTC6103。LTC6103 具有卓越的性能:最大输入偏置电流为170nA,最高输入失调电压为450μV。这么精确的性能允许该器件分辨出非常小的电流,而且仍然在大动态范围内工作。LTC6103能够承受高达70V的电压,这一特性非常重要,尤其是在电源故障或灾难性负载变化可能导致电压反激的情况,更是这样。LTC6103的响应时间为1μs,非常适用于在检测到故障情况时自动关断电源。每个放大器的增益都由两个电阻设定,而且由于增益电阻是准确度的主要决定因素,因此选择足够精确的电阻可以使准确度优于1%。
此外,TI此前也在去年11月宣布针对高电压工业市场推出两款全新高精度运算放大器-OPA211与OPA827。与业界同类36V放大器相比,两款放大器据称均实现了超低噪声、低功耗、小封装尺寸以及高带宽等多种特性的完美结合,为测试测量、仪表、影像、医疗、音频与过程控制等应用提供突破性的高性能。此次发布的OPA211与OPA827率先采用了TI的BiCom3HV 互补双极36V硅锗(SiGe)工艺。BiCom3HV工艺中出色的晶体管匹配与高精度硅铬 (SiCr) 电阻器提高了精准度,扩大了动态范围,实现了整个工作温度范围内的高稳定性。
2)数据转换系统。从通信、测试测量、医疗成像、自动控制系统到瞄准消费市场的视频产品,都需要应用到数据转换技术。数据转换系统利用模数转换器(ADC)将真实世界中的音频与视频信号、热能、光线、震动等模拟信号转换为“0”与“1”等数字信号,以便CPU或DSP能够轻松处理。这些数字信号经过处理后,通常会经由数模转换器(DAC)重新还原为模拟信号。
在数据转换系统市场,2005年在市场份额上占据领先地位的厂商分别包括ADI、TI、美信、NSC和凌力尔特等公司。近年来,这些公司围绕工业、医疗和便携消费等应用不断推出高性能的IC。如TI在2006年底宣布推出一款单通道12位ADC- ADS5463。它在采样速率为500MSPS、输入频率高达500Hz时可提供64.5dBFS的信噪比(SNR),从而为原来只能选择8位与10位精度的客户提供了全新的高性能解决方案。这款ADC采用节省空间的14×14mm封装,利用TI针对高速度与低噪声而优化的专有BiCom3工艺技术制造而成,以仅2.25瓦功耗实现了多种高性能,如84dBc SFDR、10.5ENOB 以及2GHz输入带宽,能够满足多种应用的精度与速度要求,其中包括通信、放大器线性化、测量测试仪表、软件定义无线电以及雷达与影像系统等。
而ADI也在同期发布了其最新的精密PulSAR ADC-AD7980。AD7980所具有的1MSPS、16位ADC的功耗和封装尺寸比同类产品节省80%,从而可改进病人监护仪和工业监视仪的便携性,并且提高自动测试设备(ATE)和数据采集系统的性能和吞吐率。举例来说,AD7980的小封装尺寸和低功耗特性使其适合于便携式设备、穿戴式心电图仪(EKG)、血压监视器、氧气传感器以及其它医学仪器,以便将病人信息无线传送到数据中心或护士办公室。这种移动性允许病人在医院里走动时只穿戴像PDA一样大小的监视器,而无需增加体积很大的医用设备,从而提高了病人的舒适度。
微芯科技也在去年底面向便携测量应用推出了低功耗18位Delta-Sigma MCP3421 ADC。它片上集成了电压参考电路和可编程增益放大器(PGA),无需额外元件,有助于更小尺寸设计。微芯科技模拟与接口产品部行销副总裁Bryan Liddiard表示,该器件片上集成的PGA使用户能在模数转换发生之前就选择1倍、2倍、4倍或8倍增益,即使是很小的输入信号也能提供非常高精度的转换。
他强调,MCP3421在采用SOT-23封装的同类产品中提供了最高的精度。
3)接口IC。从种类看,既有LVDS、RS485、RS232这样的线路驱动器,也有千兆位收发器、千兆位以太网/光线信道收发器这样的串行解串器,还有LCD解码器/驱动器、LED解码器/驱动器和Flatlink这样的显示器接口,以及IrDA、外设驱动器和传感器接口之类的特殊功能接口IC。接口IC可对系统微处理器、内存、各种外设以及互联系统间的电子信号进行传输、路由与计时,并要确保传送的信号不会在传输过程中出现错误,要负责为信号消除噪声,以及提供更佳的定时功能。
在接口IC市场,占据领先地位的公司包括TI、美信、NSC、NXP、夏普和凌力尔特等公司。值得一提的是,随着手机等便携式设备的广泛普及,为了方便用户更好地欣赏内容,将视频图像从手机驱动到电视机、计算机显示器或其它更大型的显示产品中的需求越来越广。但在进行这种信号转换时,DAC重建过程产生的频率杂讯可能反过来影响视频图像。为了改善图像质量,飞兆半导体在2006年推出了据称业界最小的集成视频滤波驱动器GMS6151。该产品采用尺寸仅为1.45×1.0×0.55mm的小型MicroPak封装,与一粒芝麻大小相当,有助于缩小电路板的面积,并降低设计成本。为了提高应用方面性能,该器件使用五阶8MHz标准清晰度(SD)滤波器来获得更佳的图像质量和3.8mA的低电源电流消耗,以及低至25nA的待机电流以延长电池寿命。
此外,飞兆还在2006年9月面向手持设备推出了其超紧凑串行解串器μSerDes系列的新款产品FIN224AC。飞兆表示,对于任何手持电子设备,静电放电(ESD)是首要的考虑因素,而飞兆了为应对这一挑战,将ESD保护由原来的8kV提高到15kV；此外, μSerDes产品使用了其专有的低功率EMI CTL技术,将便携式应用所需的24或12路并行LVTTL信号简化为1路单一的差分信号。这种创新的方法,减小了应用中所需的线缆数量,简化了设计并节省了空间,同时消除了较宽的高速数据通道中可能引发问题的电磁幅射。
4)电源管理IC。其主要功用在于提高系统的功率转换效率,确保便携式电子产品的电池寿命更长。近年来电子产品不断增添新的功能,如手机已相继添加彩屏、拍照、音乐播放乃至GPS和移动电视接收等功能。这些功能在丰富消费者娱乐体验的同时,也需要有更耐用的电池来配合,以此才能确保这些电子产品能够尽可能长时间地工作。在这种情况下,新一代的电源管理技术不遗余力地推出新的电源管理IC,帮助延长电子产品的操作时间和电池使用寿命。
如TI在2006年11月宣布推出首款全面优化的电源管理IC-TPS65023,以支持基于达芬奇技术的多媒体设备的电源系统需求。该PMIC采用5×5mm超小型QFN封装,并且集成了3个降压转换器以支持系统的内核电压、外设、I/O及存储器电压。TPS65023采用I2C通信接口来实施动态电压缩放技术,能够在0.8V至1.6V的范围内对内核输出电压电平进行数字化调节,以节省电力消耗。该接口与快速/标准及高速模式I2C规范相兼容,数据传输速率可达400kHz。TPS65023的所有3个降压转换器均支持轻负载电流下的节电工作模式,并能在功耗降至1μA时将器件置于断电模式。其功率转换效率高达95%,从而简化了多种电子设备的电源设计工作,其中包括便携式媒体播放器、数码相机以及其它锂离子电池供电的设备。
不仅如此,环保/节能型设计已经成为设计师面临的一道重要课题。为了帮助设计师应对这方面的挑战,上海昂宝电子也推出了其“绿色引擎”技术。该公司CEO陈志?挪┦勘硎荆?这种电源控制芯片技术能够大幅降低电源待机功耗,使系统待机功耗完全符合德国“Blue Angel”、美国加州“能源之星”和中国中标认证中心等各项严格的能耗标准,并让客户轻易达到2007年欧美国各国小于0.3W的待机节能要求。
高性能模拟在SoC时代仍有充足发展空间
总的来看,随着数字设备的日趋增多,数字技术和模拟技术都需要迅速地发展,从而帮助让人们充分运用数字设备更高的性能。在数字IC的历史中,摩尔定律近几十年来一直是指导其发展的法则,其集成度变得越来越高,速度变得越来越快。昂宝电子的陈志?挪┦恐赋觯?相对于数字IC发展趋势来说,当前模拟IC的发展趋势与数字IC呈现出了更多的交集——集成度越来越高,外形尺寸越来越小。他表示,随着IC技术发展进入新的阶段,模拟技术与数字技术正呈献出交融的趋势,市场上出现了越来越多的将多个功能甚至整个系统集成在一个芯片上的产品,即系统级芯片(SoC)。SoC并不是各个芯片功能的简单叠加,而是从整个系统的功能和性能出发,用软硬件结合的设计和验证方法,利用IP复用及深亚微米技术,在一个芯片上实现复杂功能。
虽然SoC的集成度越来越高,集成的模拟功能越来越多,但高性能模拟IC在SoC时代仍有充足的发展空间。但对于设计社群而言,SoC也存在着其固有的挑战。例如,并非所有模拟功能都能很容易地与高性能DSP或其它处理器集成,因为DSP等数字高频逻辑电路会产生很强的噪声,进而对模拟信号造成干扰。此外,虽然模拟电压已经大幅下降,但却很难下降至数字核心电压所降至的1V甚至更低电压这种程度,从另一角度来说,超低电压无法提供干净模拟信号所需的电压等级。所以对设计师而言,另一种选择就是在数字设计中将模拟功能与纯数字功能分开,或者将不容易与高速数字功能共存的模拟功能尽量集成到第二颗组件,这颗组件以模拟功能为主,但也包含控制所需的部分逻辑电路和内存。对于设计师来说,NXP的Dhwani强调,最终的取舍将取决于在性能和价格之间的平衡。
作者:周志明
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