作者:陈佳
作为中国规模最大的集成电路盛会,第十二届国际集成电路研讨会暨展览会将于2007年3月如期在深圳、北京和上海三地相继举行。从本届IIC-China上,工程师和技术人员可以了解最新的业界技术动态,接触未来最有前景的应用和解决方案,获得最新的器件体验,从而为今后的产品和系统设计增添更多价值。
在2007年2月上半期的系列报道(I)中,我们已经围绕无线技术、MCU、多媒体解决方案以及存储技术四大领域,介绍了最新技术趋势和参展商的全新解决方案。本期的前瞻报导重点将撷取电源技术、放大器、接口与总线,以及数据转换器领域的一些最新技术动态和器件信息,让读者提前对这些领域近年来的技术变化和进展以及全新的设计理念有所了解。
电源技术
各种通信设备,消费电子产品和汽车电子产品都离不开电源,电源管理解决方案一直以来都是IIC展的重头戏。本届展会中,TI、飞兆半导体、意法半导体、IR、Micrel、Intersil、凌力尔特、安森美和美信等都将携其最新电源管理方案参展。
从发展趋势来看,为满足设备对电源提出的持续缩小尺寸、降低成本等苛刻要求,电源芯片厂商正尝试把线性稳压器、DC/DC转换器、PWM控制器、LDO和充电IC等不同元件集成到单个器件上,以提供完整的电源解决方案。比如TI推出的TPS65020集成了三个具备集成FET的同步降压DC/DC转换器、三个线性稳压器以及一个I2C通信接口,可实现全面的可编程性与内核电压的动态电压缩放；意法半导体推出的STw4810除了集成多个DC/DC和可编程稳压器外,还集成了一个完整的USB-OTG模块和主流的存储卡接口,以及处理器电源监控和复位监控组件。
此外,由于拥有简单和安全方面的优势,PoE在增强WiMAX天线上的应用呈现持续增长的趋势,这将带动 PoE PSE芯片和中跨设备的发展。本次展会上,来自以色列的PowerDsine公司将展出PoE应用方案、PoE供电端设备与中跨设备,以及PoE芯片(终端和中跨设备)。
为满足更高端、更复杂的电源管理需求,数字技术也逐渐应用在电源管理解决方案中。与模拟电源技术相比,数字电源的优势是具有更高的集成度、更快的瞬时响应以及更大的灵活性。
目前,数字电源技术已经不再只是纸上谈兵,众多领先的半导体厂商和新兴公司已经投身于这个新兴的市场。在该领域,TI、Microchip、Zilker Labs和Silicon Labs可以实现全数字控制回路和支持PMBus总线。其中,Microchip新推出的第四级全数字控制器,最多可支持四路输出的16位dsPIC数字信号控制器(DSC)系列；Zilker推出的全数字电源管理功能的3A电源转换单芯片解决方案ZL2105,集成了DC/DC转换(包括同步功率MOSFET)与关键电源管理功能,适用于数据通讯、电信、工业控制及其它基于机架的电子系统嵌入式应用,其控制核心采用StateMachine技术。而Primarion的数字多相功率控制器,则可用于服务器和高端的笔记本电脑。
为了提高数字电源的效率,需要融合模拟和数字方案的混合信号技术。Zilker Labs推出的ZL2005就汲取了模拟电源解决方案的高性能、高效率和速度快以及数字电源解决方案的高灵活性、可扩展和高度可控制的优势,其效率达到了模拟电源解决方案的效率。同样,美国国家半导体的几款电源管理芯片,如LM3370、LP3957以及PowerWise电源管理单元LP5550也都将适当比例的模拟和数字电路集成在一起。
为了帮助电源系统设计人员设计数字电源,需要提供给开发人员简单的GUI,以轻松地修改各种预配置设置方式,从而充分发挥数字电源控制的优势。美信因此提供了用于控制MAX8688的免费的GUI。而Intersil也将提供易用的软件GUI,为设计人员提供方便。
众多半导体厂商如Micrel、美国国家半导体、凌力尔特等厂商,在其电源管理方案中采用了很多新的技术,进一步提高了电源解决方案的性能。
对于空间异常紧张的便携式产品来说,缩小电源部分电路所占的体积至关重要。由于开关调整器电感的体积和其工作频率成反比,因此电源设计人员一直在追求DC/DC电源转换器更高的开关频率。Micrel公司新推出的8MHz降压调整器MIC2285只需使用一个0.47uH的电感器,由于使用了高速BiCMOS技术,该器件在获得高频率的同时效率并没有下降。
采用迟滞控制方式实现稳压的电路非常简单,但是其输出纹波和开关频率的变化都不尽如人意。基于固定导通时间(COT)的稳压器虽然能够提供明显改善的频率控制性能,但是其仍然依赖于输出电容的ESR,并且纹波输出不够理想。针对于此,美国国家半导体对COT技术进行了改进,使得稳压器对电容的ESR没有要求,纹波大为降低,瞬态响应非常迅速,在大电容负载下依然非常稳定,同时电路仍旧非常简洁。
采用电源模块能够简化设计,缩短产品上市时间,节省PCB的面积。凌力尔特推出的uModule LTM4600内置了电感器、MOSFET、DC/DC控制器、补偿电路和输入输出旁路电容。
放大器
D类音频放大器由于具有极高的工作效率,可以显著缩小音频功放所占的体积,因此近年来得到了众多半导体厂商的青睐,随着技术的发展,原来困扰其发展的一些问题也逐步得到了克服,如EMI噪声和谐波失真问题。D类放大器的应用可分为针对较大功率输出的场合,如平板电视机；以及针对便携式设备的应用,如PMP和手机。TI和安森美等厂商都推出了面向这些应用的最新解决方案。
原来几乎所有的模拟输入D类放大器被驱动到削波状态时都会出问题,一旦出现削波失真,就会出现音频噪声,因此原来D类放大器在较高功率下的谐波失真通常都较大。TI在新推出的D类放大器芯片TPA3100D2中添加了自适应动态控制电路,能够提高较高功率下的音质。而且该芯片中还采用了BD调制方案,可以大大降低EMI的幅度。
对于手机中的扬声器,需要放大器输出强大的功率以发出很高的音量。安森美的D类放大器NCP2892将音频输出功率提高到了1.3W。它还能够提高输出阻抗,从而在同一个扬声器在接听和免提模式间切换工作时不产生噪声。
ADI、凌力尔特等半导体厂商最新推出的运算放大器在低功耗、低电压、低噪声和高精度等指标方面也有了明显的改进和提升。
高精度数据采集系统的设计要求极低的噪声和失真。ADI的ADA4899-1运放具有一个专利的电路结构,可解决噪声和失真之间基本的性能折衷,其在单位增益下的电压噪声低至1nV/√Hz,而失真仅为-117dBc@1MHz。因此非常适合用于采用最高精度的16位和18位数据采集系统,如雷达防碰撞系统、医用超声系统、通信系统和精密仪器。
对于采用电池供电的便携式和手持式产品,不仅要确保高精度和低噪声,同时还强调极低的功耗。凌力尔特的LT6003系列运算放大器为低压超低功率运算放大器,其消耗电流低于1uA,在 25oC 时的最大输入失调电压为 500uV,最大漂移为 5uV/oC。TI的OPA365高精度运算放大器由于采用创新的零交越失真和单输入拓扑,因此降低了失真,具有极低的噪声。
接口与总线
随着消费电子市场的持续火爆,各种消费电子设备的功能和性能的增加十分迅速,从而对其中的接口和总线也提出了全新的要求。
PCI Express采用了点对点串行连接,比起PCI以及更早期的计算机总线的共享并行架构,每个设备都有自己的专用连接,不需要向整个总线请求带宽,而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率,达到PCI所不能提供的高带宽。由于其具有的高性能和诸多新功能,PCI Express总线在计算机中得到普及之后,也开始进入通信和消费电子领域。NXP等半导体厂商已经纷纷推出了面向这些领域的各种PCI Express芯片。
HDMI现在已经在各种高清平板电视和高清DVD机中普及,但是HDMI标准仍然在不断地演进,性能也随之提高。随着1.3版本的HDMI标准的发布,其传输速度也提升到了2.25Gbps,能够显示数十亿种颜色,从而为未来显示设备更好的画质奠定了基础。为此,ADI新推出了符合HDMI1.3标准的多路复用器、接收器和发射器,使得显示的色深位数提高到了12位。
随着便携式多媒体设备如手机、MP3/MP4播放器、数码相机等对更高的功能和更紧凑空间的要求,传统的模拟开关正在从传统的低带宽音频开关发展成为高速混合信号开关。面对这些应用,需要大量的具有微小封装、极低功耗的集成数据和音频的开关。看好这个趋势,飞兆半导体新推出了高度集成的多媒体开关 FSA201和FSA221,其采用了 MICROPAK或超紧凑型UMLP封装,在单一封装中集成了USB和负向摆动(低失真)音频开关功能。这种高集成度使得便携式应用能够通过一个连接器处理 USB 或音频信号,帮助设计人员省去对附加元件的需要。
数据转换器
基于逐次逼近型(SAR),Delta-Sigma等主流架构的ADC在各个方面的性能都有了明显提高,ADI、美国国家半导体、凌力尔特、TI等公司新推出的ADC在功耗和速度方面都有了重大的改进。
随着Delta-Sigma架构应用到甚高频输入频段,该体系架构开始获得复兴。ADI充分发挥了 Delta-Sigma结构的低功耗优势,它的一款4通道带通Delta-Sigma模数转换器,其动态范围为90dB,在44MHz频率带宽为8.5MHz,而总功耗只有375mW。同样,ADI推出的逐次逼近型精密模数转换器AD7980的功耗也大幅降低,其在以1 MSPS采样速率工作时具有7.5mW的功耗,在10kSPS时具有75μW的功耗。采用这款芯片可大幅降低医疗和工业电子设备的功耗。
随着数字信号处理技术的迅速发展以及数字信号处理器件性能的全面提高,系统对高速数据转换器的要求也越来越高。例如,在移动通讯基站设计中,高速数据转换器不仅要有很高的转换速度,而且还需要对高频信号具有很小的噪音失真,以免小信号被频率相近的大信号所掩盖。对于数码相机和摄像机等图像采集和显示应用,为减少体积、成本并延长电池使用时间,高速数据转换器的小体积和低功耗也越来越重要。这些都对高速数据转换器提出了更高的要求。
美国国家半导体为此推出了超高速模数转换器ADC083000。该芯片为全新的8位超高速模拟/数字转换器,只需耗用3.6W的功率便能以6GSPS的速度捕捉数据,具有3GHz 的全功率输入带宽及 1.8W 的极低功耗,最适用于雷达及LIDAR(光波检测及定位)等定位设备。
在高速ADC领域,凌力尔特公司将12位ADC的采样速率提高到250Msamples/s,而在2.5V电压等级上功耗水平仍然保持在740mW的适当水平。而在16位高速ADC领域,凌力尔特的LTC2208的采样速率达到了130Msps,可用于带宽要求最苛刻的低噪声信号采集应用,能够满足最大限度地提高高灵敏度接收器和数据采集系统性能的关键要求。
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