毫瓦级功率实现千兆赫兹信号驱动的模拟解决方案

传统上，模拟IC设计工程师都是通过提升电源电压和工作电流来提高设备的运行速度和动态范围，但在能源效率意识愈强的今天这一方法已很难达到最佳的效果。现今，设计者不仅追求更高的工作频率、可用带宽、噪声性能和动态范围，还要同时保证设备的功耗不变甚至更低。

美国国家半导体公司的PowerWise产品采用创新的架构和领先的制作工艺，不但性能强劲而且功耗极低。本文将通过采用图1中的参考设计平台来展示如何利用高能源效率的模/数转换器(ADC)、全差分放大器和时钟调整电路来开发一个完整的模拟系统。首先，我们先从PowerWise 品牌背后的技术内涵谈起。

图1. 完整的参考设计电路板，当中包含有ADC、全差分放大器和时钟调整器电路。


为特定组件度身订造的工艺技术

用来开发模/数转换器(ADC)的工艺技术并不一定适合用来开发高频的低噪声放大器。事实上，半导体公司一般都会使用几种不同的工艺技术，例如CMOS、BiCMOS和SiGe等。而使用哪一种工艺则取决于组件的要求。如果没有优秀的工艺技术相配合，再完美的电路设计也是有缺憾的。

不同于其他大多数的半导体供应商，美国国家半导体采用纯CMOS技术去设计大部分最新的ADC。今天，CMOS技术可谓无处不在，原因是CMOS的逻辑门没有任何的静态功耗，但拥有较高的驱动电流和速度。考虑到ADC内包含有大量的数字电路，因此用纯CMOS技术去实现电路设计便可实现比BiCMOS更低的功耗。数字CMOS门电路在直流模式下不会消耗电流，但双极的门电路即使在直流模式下都需消耗电流，因为电路需要偏置电流来维持性能参数。结果，芯片中的数字部份会消耗较多的电流，从而提高整体的功耗。

美国国家半导体特别开发出VIP 10工艺来配合放大器电路的设计。VIP 10是一种高速、介质隔离的互补双极电路工艺，它在一片键合晶圆(bonded wafer)上采用深槽技术实现完全的介质隔离以及优化的高速放大器性能。键合晶圆采用的深槽技术可尽量降低寄生电容，优化功率/带宽性能、降低失真并使裸片的体积更小。采用高性能NPN和PNP晶体管的互补双极晶体管设计可以为现今的高速放大器带来最优的性能组合，包括高带宽、低功耗、低电源电压、大输出摆幅、高输出电流和低失真。对于双极晶体管来说，最常用的AC品质因素是过渡频率(FT)，在这频率下共发射极电流增益下降到单位级。在VCE=5V下，VIP 10 NPN和PNP的FT分别为9GHz和8GHz，大约比同类竞争的工艺高出50%。晶体管的高FT意味着在既定工作点下其发射极-基极扩散电容值会很低。配合VIP 10晶体管，美国国家半导体可以设计出带宽超过1GHz 或带宽在100MHz 范围以内的放大器，而且其功耗可以非常低。因为扩散和寄生电容同时被大幅削减后，内部级在很低的工作电流下也会出现低相位位移。对于某些双极工艺来说，FT可以在较低电压下大幅地下降，但若采用VIP 10工艺，那即使Vce=1V，FT都可维持在高水平：NPN可达7GHz而PNP可达5GHz。下面的公式1表示出一个双极晶体管的过渡频率是如何计算出来。

其中：

k是玻尔滋曼常数、T是绝对温度、Cte 是发射极电容、q是电子的单位电荷、IC 是集电极电流、WB是基带带宽、μB是电子移动性、rcs是集电极电阻、Ccb 是集电极电容、Xs 是集电极空间电荷区的宽度，而vx则是集电极空间电荷区的饱和速度。

创新的技术

上文中我们已探讨过IC设计者通晓了最优的电路设计方法、专利架构和尖端的工艺技术就基本掌控了到业内最先进的技术，从而能够在竞争激烈的市场中开发出与众不同的产品。要进一步巩固竞争优势，设计者还必须紧随业内发展的潮流，诸如美国国家半导体的PowerWise等创新技术。PowerWise技术可以使数字处理器(例如DSP或FPGA)中的DSP或FPGA功耗降低70%。

PowerWise采用自适应电压调整(AVS)和阈值调整技术可以在维持系统最低开销的情况下自动将数字逻辑电路中的工作电路和漏电功耗减到最低。PowerWise技术在业内是独一无二的，它是唯一一种可供所有电路开发商使用的先进系统级能源管理方案，不但内容完备而且还可提供详细的知识产权信息。通过使用简单的标准硬件接口，加上业内知名合作伙伴ARM、TSMC、UMC、Synopsys等支持，这项技术可应用到任何CMOS工艺，而且设计工具和流程都已标准化，可配合任何的操作系统或应用，实现最优的能源效率。

建立一个完整的模拟系统

设计参考可以为设计工程师提供了设计模版，其重要性不言而喻。特别是要求在不增加功耗的前提下提升系统性能时，设计参考就显得更为重要了。大多数棘手的设计问题，例如选择正确的组件、组件布置、系统布局和布线等，都可在这些设计参考中找到答案。基于服务客户创建的高性能模拟系统的知识积累，美国国家半导体建立起了一个汇聚杰作的设计参考库。以最新加入参考库的ADC14DS105KARB参考设计为例，它采用了最新的PowerWise 家族LMH6552 1.5GHz差分驱动器作为信号链的一部份。该组件与高速的ADC14DS105数据转换器和定时方案结合在一起，为测量仪表的设计者提供一个良好的参考工具。