模拟电路过去四十年的演变发展
时间：10-02
整理：3721RD
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过去的 40 年里，模拟电路在整个集成电路市场中所占的份额一直在 20% 左右。随着数字 IC 在复杂程度和功能方面的不断进步，模拟 IC 同样也在发展。不过，与数字 IC 增加功能 （其基于晶体管的数量） 的表现形式不同，模拟 IC 的进步则体现在其他的指标上。对于数字 IC 而言，性能的改进取决于特征尺寸和晶体管尺寸的缩减。在单颗芯片内集成更多的晶体管提高了数字 IC 的运作能力。模拟 IC 基于实际的参数，因此功耗、分辨率、速度和其他参数则反映了模拟集成电路的改进。
数字是信息 - 电压和电流的数值在数字电路中无关紧要，只要输入和输出正确即可。在一个数字电路中，信号是如何从输入到达输出的并不重要。数字电路可以是门阵列、微处理器或分立式逻辑器件，只要它们正确运作就行。模拟功能部件则考虑到了实际的参数。电压和电流、噪声、速度和电源电流全部都是在模拟集成电路中定义的模拟属性。因此对于模拟电路而言，怎样将输入信号变成输出信号是至关重要的。
面向数字 IC 的工艺创新对模拟 IC 产生了极大的影响。40 年前，模拟 IC 是采用一种 “8 掩模工艺”（eight mask process） 来生产的。几乎所有的制造商所采用的工艺都非常相似，而且他们生产的器件类型彼此之间也十分类似。如今，每家制造模拟 IC 的公司均拥有其自己的工艺和变种，因而没有那种可提供直接替代产品的第二供货源。针对模拟 IC 的这些工艺改进不仅涉及晶体管尺寸，而且也关乎工艺复杂性。模拟 IC 常常是利用多达 50 个掩模层来制造的，并包含了双极、CMOS、薄膜晶体管、以及实现模拟功能所需的其他专用 IC 组件。
模拟 IC 的尺寸缩减方式不同于数字 IC。模拟 IC 的某些参数 （例如：电压和电流） 需要占用芯片面积以正确地起作用。较高的电压需要较大的晶体管和更大的间距，因此新的光刻工艺并不能缩减芯片的尺寸。大电流运作要求使用大面积晶体管，而缩小参数的做法并不会改善晶体管传输大电流的能力。另外，功率耗散也需要大的芯片面积和良好的热连接以实现器件的正确运作。因此，模拟电路更多地与其执行的功能实施物理连接。
而且，最初专为数字 IC 而设计的密度改进方案也已被模拟 IC 所采纳。较小的晶体管工作速度较快，因此采用由纤巧线宽实现的新型晶体管的应用便蓬勃发展起来。以低功率运行于千兆赫兹 （GHz） 频段的高速 RF 电路如今已很常见。具有超过 20 位之分辨率的模数转换器，或者工作频率达千兆赫兹的转换器就是在生产工艺中使用了快速小型 CMOS 晶体管的直接结果。由于这些细线工艺的成本由于其所支持的巨量数字电路而降低，因此采用这些工艺生产的模拟电路将继续在成本效益性上更胜一筹，而且使用范围更加广泛。工作频率达数兆赫兹 （MHz） 且效率超过 95% 的开关稳压器就是使用了细线晶体管的结果。较小的晶体管尺寸使得模拟 IC 能够内置大量的数字支持电路和速度较快的模拟电路。
模拟组件也取得了改进。运放的速度和 DC 精度有所改善。线性稳压器 （LDO） 具有一个较低的压差、较低的电源电流和模拟监视输出。针对线性稳压器的新型架构可在无需专用外部电路的情况下实现器件的并联以及至零输出的调节能力。一款特别有趣的新型 LDO 在 10Hz 至 100kHz 的频率范围内具有 1μV 的输出噪声，这一指标比许多低噪声放大器的还要好。
这些开发成果源于新颖的电路创新、更加洁净的晶圆代工厂、更好的掩模处理、掩模和晶圆中缺陷密度的改良、以及晶圆尺寸的增大。除了在单芯片内实现系统性能之外，模拟集成电路还提升了性能。
不管是数字 IC 还是模拟 IC 其功能均不是每年都有显著的变化。在过去的 40 年中，它们的发展一直是一种不断改善性能参数的稳步演进过程。在今后的 10 年乃至更远的未来，我们可以期待模拟电路创新和性能将得到持续的改进。
数字是信息 - 电压和电流的数值在数字电路中无关紧要，只要输入和输出正确即可。在一个数字电路中，信号是如何从输入到达输出的并不重要。数字电路可以是门阵列、微处理器或分立式逻辑器件，只要它们正确运作就行。模拟功能部件则考虑到了实际的参数。电压和电流、噪声、速度和电源电流全部都是在模拟集成电路中定义的模拟属性。因此对于模拟电路而言，怎样将输入信号变成输出信号是至关重要的。
面向数字 IC 的工艺创新对模拟 IC 产生了极大的影响。40 年前，模拟 IC 是采用一种 “8 掩模工艺”（eight mask process） 来生产的。几乎所有的制造商所采用的工艺都非常相似，而且他们生产的器件类型彼此之间也十分类似。如今，每家制造模拟 IC 的公司均拥有其自己的工艺和变种，因而没有那种可提供直接替代产品的第二供货源。针对模拟 IC 的这些工艺改进不仅涉及晶体管尺寸，而且也关乎工艺复杂性。模拟 IC 常常是利用多达 50 个掩模层来制造的，并包含了双极、CMOS、薄膜晶体管、以及实现模拟功能所需的其他专用 IC 组件。
模拟 IC 的尺寸缩减方式不同于数字 IC。模拟 IC 的某些参数 （例如：电压和电流） 需要占用芯片面积以正确地起作用。较高的电压需要较大的晶体管和更大的间距，因此新的光刻工艺并不能缩减芯片的尺寸。大电流运作要求使用大面积晶体管，而缩小参数的做法并不会改善晶体管传输大电流的能力。另外，功率耗散也需要大的芯片面积和良好的热连接以实现器件的正确运作。因此，模拟电路更多地与其执行的功能实施物理连接。
而且，最初专为数字 IC 而设计的密度改进方案也已被模拟 IC 所采纳。较小的晶体管工作速度较快，因此采用由纤巧线宽实现的新型晶体管的应用便蓬勃发展起来。以低功率运行于千兆赫兹 （GHz） 频段的高速 RF 电路如今已很常见。具有超过 20 位之分辨率的模数转换器，或者工作频率达千兆赫兹的转换器就是在生产工艺中使用了快速小型 CMOS 晶体管的直接结果。由于这些细线工艺的成本由于其所支持的巨量数字电路而降低，因此采用这些工艺生产的模拟电路将继续在成本效益性上更胜一筹，而且使用范围更加广泛。工作频率达数兆赫兹 （MHz） 且效率超过 95% 的开关稳压器就是使用了细线晶体管的结果。较小的晶体管尺寸使得模拟 IC 能够内置大量的数字支持电路和速度较快的模拟电路。
模拟组件也取得了改进。运放的速度和 DC 精度有所改善。线性稳压器 （LDO） 具有一个较低的压差、较低的电源电流和模拟监视输出。针对线性稳压器的新型架构可在无需专用外部电路的情况下实现器件的并联以及至零输出的调节能力。一款特别有趣的新型 LDO 在 10Hz 至 100kHz 的频率范围内具有 1μV 的输出噪声，这一指标比许多低噪声放大器的还要好。
这些开发成果源于新颖的电路创新、更加洁净的晶圆代工厂、更好的掩模处理、掩模和晶圆中缺陷密度的改良、以及晶圆尺寸的增大。除了在单芯片内实现系统性能之外，模拟集成电路还提升了性能。
不管是数字 IC 还是模拟 IC 其功能均不是每年都有显著的变化。在过去的 40 年中，它们的发展一直是一种不断改善性能参数的稳步演进过程。在今后的 10 年乃至更远的未来，我们可以期待模拟电路创新和性能将得到持续的改进。
好
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