将数字和模拟功能集成到嵌入式处理器中

混合信号器件向系统级芯片方向发展，需求急速膨胀。Broadcom公司混合信号RF产品部总经理

K.C.Murphy说：“由于技术的发展，有可能在一块芯片上集成更多功能。将模拟和数字器件分隔开来的观念不再有市场。”以往需要较多分立器件的场合现在只需几个芯片即可。例如，蓝牙和以太网系统可以用一块芯片完成。

科胜讯系统公司无线通信部市场主管Mike O'Neill说：“相当数量的模拟逻辑器件与数字处理器件整合在一起。”尽管混合信号市场是巨大，但由于对混合信号器件的认识不一致，很难确定这一市场的具体规模。人人都赞同混合信号器件是将模拟和数字电路集成在一块芯片上的说法，但对数字与模拟成分的比例，看法却莫衷一是。

市场调研公司Semico的一位分析家说，估计1999年全球线性和逻辑IC产品的销售总额约为200亿美元，但混合信号器件具体占到多少份额却并不清楚。Dataquest公司用管脚识别混合信号器件。该公司的分析师Ada Cheng说：“如果进出的信号包括模拟量和数字量，那么它就是混合信号。”Dataquest估计全球混合信号IC产品，包括应用在电信、大规模存储、消费电子和汽车电子领域的器件，去年的销售总额约为166亿美元，比1998年的144亿美元高出15.5%。其中电信销售为71亿美元、消费类占51亿美元、大规模存储器件占23亿美元、汽车电子占21亿美元。

尽管Dataquest并没有对2000年混合信号器件市场作出预测，Cheng说：“市场上半年的行情是好的，下半年会继续保持或变得更好。通常在第三季度市场会走软，但第三季度各公司大都有稳固的订货。除非出现大的经济变故，今年将是一个好年景。”

采用新工艺

国家半导体(NS)公司模拟器件部负责人Mark Levi说：“客户希望电路易于应用，同时具有尽可能多的功能，因为他们希望尽可能快地使产品进入市场。今天，差不多每一个产品都有人性化接口、一个微控制器、一个到高速的连接器。最困难的部分就是将模拟和数字世界连接起来。”

TI公司混合信号DSP解决方案市场主管Milt Hogan说：“十多年前，大多数模拟供应商在技术上落后于数字产品供应商，现在情况却有所不同。”

对混合信号设计来说，噪声和工艺兼容性是两大主要障碍。除非对信号进行隔离否则来自高速数字电路的噪声将妨碍模拟电路的功能。数字电路的设计者争取利用最小的几何尺寸来优化速度和功率消耗。

半导体制造商对有利于混合信号发展的制造技术持不同看法。IBM微电子高级工程经理Dave Ahlgren说：“对混合信号技术的发展来说，硅锗(SiGe)技术即使不是最好的技术，也是优先选择的技术。数字电路CMOS的优点在于它的密度、较低的速度下的低功耗和成本。但是对模拟电路来说，CMOS不是特别好的技术。”他说：“BiCMOS可用来制造模拟和无源器件，且它与数字电路COMS兼容。BiCMOS是目前多数半导体供应商制造混合信号器件的方法。”

无需显著增加成本，就可以从单纯的硅工艺转向SiGe 双极性异结质晶体管工艺。Ahlgren 说：“这种晶体管具有和砷化镓材料及其他外来昂贵材料同样的性能，并且可以在原有的硅生产线上加工。”他说：“双极硅半导体工艺可以获得15~20GHz 的开关速度，而SiGe 半导体可以达到50GHz的开关速度。”IBM 称他们正在致力开发开关速度为100GHz的产品。

英特尔正在采用硅工艺为10Mbits/s以太网和千兆位以太网开发混合信号无线收发器。网络元件营销经理Sean Dingman说：“大批量市场不能使用太前沿的东西，我们仅仅用CMOS工艺就可以制造模拟和数字产品。我们不需要双极工艺，虽然它确实有速度优势，但对我们的应用来说，它太贵了，且功耗太大。”Cygnal集成产品公司是一家美国初创企业，他们采用0.35微米CMOS工艺优化混合信号设计，并且通过利用一系列标准和独特的技术实现了68~70dB的噪声屏蔽。“模拟电路必须在一定的输入和输出电压范围之内工作。”市场营销副总裁 Don Alfano说：“数字电路设计不仅涉及的参数较少，而且可以利用已有的开发工具。但模拟电路设计需要特别的技艺，任何一个参数超出容许范围都将影响最终产品的性能。”

由于模拟IC设计的复杂性，许多厂家已经开始使用SiGe、GaAs或其他技术进行生产。“目前，基于CMOS的混合信号技术使模拟设计走出困境，并向低成本、低功耗和小体积方向发展。”Rocket Chips公司销售和市场副总裁Tim Hemken如是说。

尽管0.25和0.18微米工艺是目前最常用的，但RocketChips采用0.13微米工艺设计产品。他说：“在速度上，我们的产品与采用SiGe和GaAs工艺的产品不相上下。多数厂商采用双极或BiCMOS工艺，但采用简单的CMOS工艺设计模拟电路的厂商还不多见。”

“双极、GaAs、SiGe和BiCMOS不能被有效地集成进CMOS工艺。”通讯系统芯片制造商Power X网络公司市场副总经理Bill Weir说，“几何尺寸发生巨大变化，不久前人们采用0.35/0.25微米工艺进行设计。今天，设计人员采用0.18/0.15微米、甚至0.12微米技术设计。奔腾处理器用0.18微米技术设计，集成了1,200万门。但你永远不能无止境地把所有电路都放在一块芯片中。如果需要更高的数据率，你不得不求助于GaAs、 BiCMOS、双极，甚至磷酸铟。”

NS已经开始为混合信号器件开发新的工艺技术。他们加强了在CMOS电路上集成EPROM、精密电容、电阻和高Q电感的能力。他们也采用 BiCMOS、BiDMOS和SiGe工艺，并且即将发布一种外形体积缩小了3倍，被称作PVIP50的产品。自从蓝牙短距离无线连接标准公开以来，科胜讯的O'Neill说：“我们便致力为这种技术开发低功耗的器件，因为蓝牙产品趋向采用电池供电。设计蓝牙产品可选择不同的体系结构、电路设计和硅工艺。”科胜讯优先选择了SiGe BiCMOS而非CMOS或BiCMOS。

产品发展趋势

混合信号市场如此巨大，为众多供应商提供了一展身手的舞台。TelCom半导体公司致力于开发温度管理产品，以及数字万用表、面板仪表和消费电子的逻辑前端产品。公司高级产品和行销主管Don Ashley说：“将数字和模拟功能集成到嵌入式处理器中是混合信号市场的发展趋势。”模拟IC供应商，如Burr-Brown (现在是TI的一部分)也希望在混合信号领域占得一席之地。Burr-Brown数字分部营销策略工程师Robert Schreiber说，公司的客户希望采用简单的串行接口连接DSP产品、微控制器和微处理器，以及要求一个芯片有更高的集成度。市场另一趋势是更高精度的独立器件。Linear Technology(LTC)公司的混合信号产品包括 RS232和RS485接口器件、热交换控制器和微处理监控器。公司混合信号器件营销经理Todd Nelson说：“客户期望降低方案成本、充分利用电路板空间。我们的多方案无线收发器已从三块芯片降为两片。我们做到了体积减小一半，成本降低一半。” 这种器件每片有28个管脚，共计56个管脚，而单芯片方案需要80个管脚。

在RS232和RS485市场，Intersil是一个有力的竞争者。混合信号集成电路主管Davin Yuknis说：“我们有生产和销售能力。”Davin Yuknis说，“我们的器件被应用在PC、漆上电脑、机顶盒、蜂窝电话和数字相机中。”

Sipex公司总裁Steve Parks 说：“PC 产品曾经是 IC 工业的主要驱动力，但今天通讯IC成了主要的推动力。随着这类产品的盛行，混合信号产品需求呈指数增长。”

ASIC是混合信号市场的重要组成部分。东芝电子美国公司系统IC业务部业务开发主管Peter Richmond说：“现在的亚微米ASIC技术能够集成百万个晶体管，并允许系统具有高水平的系统级集成(SLI)能力，即在一块芯片上集成模拟、应用逻辑、存储器、微处理器和I/O接口等。”Richmond 说，SLI ASIC设计的成功意味着在保持低成本的前提下就能按时完成开发和初步生产。但挑战来自于：如何使ASIC技术、设计流程、工艺方法、EDA工具、库和封装技术进行完美的结合，使之和谐地工作。Kendin通讯公司也采用模拟和数字模块设计混合信号ASIC产品。营销副总裁Bill Windsor说：“公司内部进行了优化，主要面向网络专用信号处理。我们的产品功耗是其他产品的一半或六分之一，我们还将原来器件的尺寸缩小了三分之一，并将MAC(媒体访问控制器)、PHY和SRAM等集成起来。”

只要存在对混合信号器件的需求，大公司仍有时间在混合信号市场占有一席之地。安森美半导体公司系统和应用工程经理Armin Schultz称：“混合信号市场最终将是成本的竞争，具有大批量制造能力的供应商将胜出。”