消费电子IC集成的技术挑战及解决策略分析

在消费电子产品中，IC更高集成的主要障碍是不同类型电路-主要是数字、混合信号和电源管理电路很难用一种生产工艺生产。更进一步的集成需要IC提供商在不牺牲性能的情况下，以低成本的方式来衔接这些技术差距。本文分析这些存在的技术挑战以及可能的技术发展。 


在小小的硅片上集成更多的功能已经成为半导体产业最近几十年来的重要关注点。这有几个原因：首先消费电子产品特别依赖于将多个分离芯片集成到一个IC中来减少成本；其次，集成使设备更小、更便于携带，这一点很重要；最后一点也是很重要的一点，就是通过减少系统中器件数量来提高可靠性。 


今天，硅集成依然是形成具有新功能的产品以及以更低的成本实现更高性能的关键。在便携式消费电子产品中，摩尔定律不再是限制集成的因素。移动电话、数码相机和高端音乐播放器比最新的PC微处理器的晶体管更少，但依然需要三个或更多的IC。在这种便携式系统中限制更高集成的主要障碍不是晶体管的数量，而是因为系统不同部分需要不同的晶体管。像微控制器、DSP和存储器这样的数字电路需要低工作电压的小晶体管，以便降低功耗-这是电池供电应用中的关键问题，并能有助于提高开关速度。 


然而，这些小的低电压晶体管不适合其它类型的电路。一个例子就是电源管理：开关电压调节器(DC-DC变换器)、LDO线性调节器以及电池充电器都需要能承受相对更高的电压和电流的更大晶体管。混合信号功能，例如音频编解码器，是另外一类具有其特殊要求的电路，因为这些电路处理的是模拟信号，晶体管噪声是关心的主要问题，必须使噪声最小化以获得终端产品更高的性能。而且，混合信号电路不能仅仅由晶体管构成-它们常常需要在片上集成高线性电阻和电容。这些不同的要求很难由一种芯片制造工艺来满足，其结果是不同类型的电路将采用到不同的工艺。 


在消费电子产品中，基于相似工艺技术的绝大多数电路已经被集成。为进一步减少这些系统中的芯片数，必须突破这些工艺之间的技术壁垒。最极端的做法是将系统的所有半导体器件集成到一个系统级芯片(SoC)上。然而实际上，这会导致一些不期望的折衷。使用“数字”工艺构建的SoC的性能表现并没有专用混合信号IC那么好，特别是对于高保真音频应用来说。集成到这种SoC上的电源管理功能比专用的电源管理单元(PMU)需要更多的外部器件，因为它们的内部晶体管不能应付高电压。采用“模拟”工艺可以解决这些问题，但即使它们的最小晶体管尺寸依然很大，将增加数字电路模块的功耗和尺寸。结果，今天真正的单芯片方案只用在那些为了成本可以牺牲性能的应用中，例如低端音乐播放器。 


一个可选的策略是在一个芯片中集成混合信号和电源管理功能，而数字逻辑部分则独立开来。这种方法可以将很多系统的芯片数量减少到两片(那些需要专用电路类型的除外)。同时，它需要的折衷还比较少，因为底层的技术很相似。混合信号和电源管理都使用模拟器件同样的晶体管，都关心模拟性能，而不是仅仅单纯在一个芯片上可以集成的晶体管数量。像电压调节器一样，混合信号音频电路为驱动微型喇叭，通常其工作电压和电流较高。 


混合信号和电源管理电路在它们的设计方法上有很多共同之处，都需要基于每个晶体管的准确数学模型的详细模拟仿真(即SPICE)。消费者可以通过眼和耳来根据某些模拟特性对产品进行区分，例如噪声、谐波失真以及功效等，这些都很难通过仿真来预测。模拟IC设计工程师很重视这个问题，通常手动精细调整它们芯片上电路单元的布局。 


此外，外部器件和PCB布局通常像芯片本身一样能决定最终产品的性能，因此一种系统级的方法不可或缺。另一方面，数字IC的设计与软件的开发紧密联系。数字电路和芯片布局通常从硬件描叙语言(如Verilog或VHDL)的抽象定义中自动产生，这很大程度上将数字设计工程师从对电路中每个晶体管的考虑中解脱出来。数字电路仿真也不需要模拟电路仿真那样的准确度，因为数字电路并不识别0和1之间的中间值。在很多情况下，对于最新的数字IC技术很少有可用的准确晶体管模型。 


然而，将电源管理和混合信号结合起来还是带来一些新的问题。只有采用开关电源才能获得当前便携式设备的功率效率，而开关电源本身会产生开关噪声问题。将音频或视频功能放在同一个芯片上使得这些噪声很容易影响模拟信号，降低终端用户的听觉或视觉体验。幸运的是，混合信号设计工程师已经找到了解决这种问题的方法-他们的IC总是包含大量的数字电路，这些电路也产生开关噪声。他们开发出保护敏感模拟信号的方法也能处理大量的噪声。另一方面，电源管理电路很少会被来自其它电路模块的噪声或干扰所影响。因此，电源管理专家在降低他们IC的噪声方面并不积极。 


当前，影响混合信号电路性能最普遍的问题与电源的稳定性和质量直接相关。例如，通过使电源工作在那些混合信号功能不敏感的频率来解决开关噪声问题。电源管理和音频功能紧密地集成还能使电源响应更快，或者甚至可以预见系统功耗的陡增。这样的功率浪涌通常是由于音频信号的声音峰值造成。 


缩短电源反应时间减少了对存储电荷的高价格大电容的需求。这样一来，设计工程师可以采用更小、更轻和更便宜的电容。在一个模拟IC中集成电源管理和混合信号功能从经济上和技术上都有明显的意义。克服开关噪声是这种集成器件成功的关键，系统级的设计有助于使这种方案比分离器件有更大的优势。尽管部分集成的策略显得比单片集成更保守一些，但在短期到中期具有较好的机会。