模拟集成电路

模拟集成电路主要是指由电容、电阻、晶体管等组成的模拟电路集成在一起用来处理模拟信号的集成电路。有许多的模拟集成电路，如运算放大器、模拟乘法器、锁相环、电源管理芯片等。模拟集成电路的主要构成电路有：放大器、滤波器、反馈电路、基准源电路、开关电容电路等。

中文名：模拟集成电路

外文名：analogintegratedcircuit

别称：模拟电路

提出者：杰克·基尔比

提出时间：1958

应用学科：物理

适用领域范围：电磁学

适用领域范围：微电子学

1、简介

模拟集成电路

模拟集成电路主要是指由电容、电阻、晶体管等组成的模拟电路集成在一起用来处理模拟信号的集成电路。有许多的模拟集成电路，如运算放大器、模拟乘法器、锁相环、电源管理芯片等。

模拟集成电路的主要构成电路有：放大器、滤波器、反馈电路、基准源电路、开关电容电路等。模拟集成电路设计主要是通过有经验的设计师进行手动的电路调试，模拟而得到，与此相对应的数字集成电路设计大部分是通过使用硬件描述语言在EDA软件的控制下自动的综合产生。

1958年,杰克·基尔比在锗材料上用5个元件实现了一个简单的振荡器电路，成为世界上第一块集成电路。这一发明揭开了20世纪信息革命的序幕，标志着电子时代的到来。今天，随着以计算机和通信技术为代表的高科技产品在国防科技、工业生产和日常生活中越来越广泛的应用，以集成电路为代表的微电子产业也进入了一个前所未有的发展阶段。

集成电路(简称IC)按其功能、结构的不同，可以分为数字IC和模拟IC两大类。数字IC用来产生、放大和处理各种数字信号(指在时间和幅度上离散变化的信号。例如VCD、DVD重放的音频信号和视频信号)的电路。模拟IC是用来产生、放大和处理各种模拟信号(指幅度随时间连续变化的信号)的电路，是微电子技术的核心技术之一，能对电压或电流等模拟量进行采集、放大、比较、转换和调制。

2、原理

在信息技术中，数字集成电路是主角，其处理对象是以数字信号承载的信息，而数字信号在时间、量的方面是取离散值的。但是自然界的信号在时间和量方面的变化是连续的，比如风声、水流量等，这样的信号称为模拟信号(AnalogSignal)，相应地，处理模拟信号的电路称为模拟电路，而用来处理模拟信号的集成电路则称为模拟集成电路。显然数字电路是无法直接跟自然界打交道的，只是为了处理或传输的方便，为了充分利用数字系统的优点，把模拟信号先转换为数字信号，输入到大容量、高速、抗干扰能力强、保密性好的现代化数字系统处理后，再重新转换为模拟信号输出。

集成电路的主角是晶体管，模拟集成电路也不例外，只是其利用的是晶体管的放大作用，而数字集成电路则是利用晶体的开关作用。早期的模拟集成电路大都使用双极型晶体管，由于CMOS工艺的成熟，克服了早期CMOS电路速度较慢的缺点，并且有着功耗低和工艺升级换代方便的优点(CMOS的等比例缩小)，如今模拟集成电路和数模混合集成电路(数字电路和模拟电路集成在一起)也常用CMOS来设计和实现了

3、应用

原理

模拟集成电路的基本电路包括电流源、单级放大器、滤波器、反馈电路、电流镜电路等，由它们组成的高一层次的基本电路为运算放大器、比较器，更高一层的电路有开关电容电路、锁相环、ADC/DAC等。根据输出与输入信号之间的响应关系，又可以将模拟集成电路分为线性集成电路和非线性集成电路两大类。前者的输出与输入信号之间的响应通常呈线性关系，其输出的信号形状与输入信号是相似的，只是被放大了，并且按固定的系数进行放大的。而非线性集成电路的输出信号对输入信号的响应呈现非线性关系，比如平方关系、对数关系等，故称为非线性电路。常见的非线性电路有振荡器、定时器、锁相环电路等。模拟集成电路的典型应用如下图所示，输入温度、湿度、光学、压电、声电等各种传感器或天线采集的外界自然信号，经过模拟电路预处理后，转为合适的数字信号输入到数字系统中;经过数字系统处理后的信号再通过模拟电路进行后处理，转换为声音、图像、无线电波等模拟信号进行输出。

相对于数字集成电路基于标准单元库使用EDA工具软件进行自动化设计的方法，模拟电路却保留了人工设计的方法，当然也有大量的电路画图和仿真软件工具，和一些成熟的电路单元可以使用，但是要设计出好的模拟集成电路，更多的是依靠设计者的经验。因为模拟电路要考虑的因素更多，除了数字集成电路关注的速度、功耗和面积之外，还需要考虑增益、精度等性能指标，考虑噪声、串扰、温度、器件非线性度等对性能的影响。

4、现状

模拟IC的使用一直以消费类电子产品为主，这几年一直保持稳定增长。据Databeans公司对模拟IC市场调研报告显示，全球模拟市场从2003年～2009年复合增长率为12%。这个数字要高出其它产品的增长率。这也预示着高性能模拟市场在今后的一段时间里发展潜力巨大。在美国半导体工业协会(SIA)的市场统计中也有数据显示，在未来的2～3年发展中，模拟市场的发展将快速超越数字市场。模拟器件将成为市场及产品数字化时代的模拟集成电路应用的主流。

模拟IC主要应用于在电子系统中执行对模拟信号的接收、混频、放大、比较、乘除运算、对数运算、模拟-数字转换、采样-保持、调制-解调、升压、降压、稳压等功能。电路形式有数据转换器(如A/D转换器、D/A转换器等)、运算放大器、大器、宽带放大器等)、非线性放大器(模拟乘法器、数/反对数放大器等)、多路模拟开关、(线性调压器、开关电源控制器等)、智能功率各类专用IC。模拟IC在其设计和工艺技术的发展过程中，形成了具有自身特点的设计思想和工艺体系;在技术发展水平、产品种类、限度地满足了信息化技术的需要;其应用已渗透到各个领域，在现代军、民用电子系统中，模拟了重要角色;在信息化的各种场合，都离不开高性能的模拟IC，模拟IC性能水平的高低常常决定着电子产品或系统的水平高低。

在器件方面,由于应用对模拟IC的要求千差万别,，因此在器件方面，不仅开发出十余大类的模拟IC产品，而且对各类模拟数百、数千种产品，产品种类和性能水平应有尽有，可满足应用的不同需要。

其中，数据转换器是模拟和数字混合信号处理电路，它的模拟电路部分占芯片面积的50%以上。早在1986年美国的Gray教授就提出用所谓“鸡蛋模型”，形象地表示了数字IC、模拟IC以及模拟/数字转换(A/D)电路、数字/模拟转换(D/A)电路间的关系。他把数字IC比作蛋黄，模拟IC比作蛋壳，而A/D和D/A转换电路自然就成了连接二者的蛋清。可见，三者是一个有机整体，现实世界的非物理信号可以通过模拟电路以及A/D转换电路转换成数字信号加工处理，再由D/A转换电路和模拟电路才能转化为我们能感知的模拟信号。在数据转换器方面，8～14位1～80MHz高速A/D技术已很成熟，产品充足，也可见到16位以上30MHz以上的A/D转换器产品。同时在A/D转换器中不仅出现集成了多种功能的模拟IC，如多路转换器、仪器放大器、采/保放大器等A/D转换器子系统，而且还将不断把其它模拟IC和各种数字电路如DSP、存储器、CPU、I/O等集成在一起。美国模拟器件公司2006年发布了业界首款采用3mm×3mm10引脚LFCSP(引脚架构芯片级封装)超小型封装的16bit四数模转换器(DAC)，从而满足了工业和通信设计尺寸不断减小的需求————这项技术开发将节省高达70%以上的印制电路板面积。

在射频放大器方面，正采用SiGe双极技术，以满足应用的高性能要求。放大器正应用于各种手持式通信设备中，要求功耗低。ADI(美国模拟器件公司)的高性能放大器系列(如AD8350工作频率达到1200MHz，在250MHz时噪声系数为6.1dB，具有很高的动态范围、极好的线性度和共模抑制)，可有效地应用于通信收发射机、通用增益放大系统、A/D缓冲器、高速数据接口驱动器等。ADI日前发布首款AD8352，能够有效驱动无线基础设施系统的高速模数转换器(ADC)，并达到超低失真性能。AD8352作为ADI扩展种类系列的最新成员，适合于驱动下一代3G和4G蜂窝、宽带WiMAX无线基础设备中使用在最高实际中频(IF)条件下的12bit～16bitADC，驱动高速ADC达380MHz，超过同类差分放大器能达到的100MHz，具有保持优越性能的能力。

电压调节器方面，ADI推出的接收机IF子系统AD6121中集成了电压调节器，它是一种动态范围很宽的IF放大器，是专门为CDMA(码分多址)系统应用设计的，可适用于2.9V～4.2V的电池电源工作。Motorola推出的电压调节器系列，开关电流低，噪声低，静态电流极小，可在电池电源的额定电压下降到0.2V以内都能调整，很适合电池供电系统如蜂窝电话、无绳电话及长寿命电池供电的射频控制系统应用。

当今电子产品层出不穷、争奇斗艳的根本原因，与其说是数字计算技术的飞速提高，不如说是模拟技术推陈出新的结果。小巧、省电、娱乐、方便..能够满足消费者这些要求的，正是模拟技术。所以，模拟技术造就了不同特色和档次的电子产品，也为整个电子工业不断创造着新的需求。因此，只有模拟技术才可令电子产品具有独特的个性，突显自己的特色。

5、分类

模拟集成电路产品分为三类

第一类是通用型电路，如运算放大器、相乘器、锁相环路、有源滤波器和数-模与模-数变换等;

第二类是专用型电路，如音响系统、电视接收机、录像机及通信系统等专用的集成电路系列;

第三类是单片集成系统，如单片发射机、单片接收机等。

6、发展

模拟集成电路

模拟电路当前呈现出三个突出趋势:高性能分立器件、模数混合和SOC(SystemonChip系统芯片)。

模拟集成电路种类繁多，其性能要求也各不相同。追求更高的性能将是模拟器件未来主要的发展方向。凌特公司中国区域业务经理李锦华简单地将其归纳为“三升三降”，即速度、精度、效率上升，而功耗、尺寸与外围元件数下降。对放大器而言，将向更高速度、更低噪声、更大动态范围等方向发展;对数据转换器而言，将向更高速度、更高精度等方向发展;在信号处理、射频电路、电源管理等领域，将向更高精度、速度与效率方向发展，同时功耗、尺寸及外围元件数量则将不断下降。以手机为例，消费者要求更清晰的语音、更加绚丽的屏幕，同时还要有更长的待机时间，这些都给模拟器件制造商提出了更高的要求，也为设计人员带来了更大的挑战。分立模拟电路可以把这些性能做得很高。例如，Maxim转换速率已经做到了2GSPS，而采用SOC(系统芯片)是做不到这种性能的。

一个单片上组成的开关电容滤波器(SCF)完成对模拟信号的处理随着超大规模IC的不断发展，模拟与数字之间的概念也在不断模糊。例如如今迅速发展起来的集成滤波技术，就是模数结合的集成电路的一个实例:它利用MOS开关，MOS电容和MOS运算放大器同时集成在。美国国家半导体最新推出的ADC081000芯片就是模拟与数字融合的一个最好例子。这款8位的模数转换器设有低电压差分信号(LVDS)接口，最高取样率可达1.6GHz，这是业界目前最快的速度。由于这款模数转换器具有高速的数据采集能力，因此系统设计工程师可以直接将模拟信号向下转换，以便进行更快及更有效的后期处理。

随着工艺水平的提高，EDA工具、Foundry工艺PDK的完善以及设计水平的提高，模拟IC正在步入新的发展时代。为了保证最佳的系统性能、最高的可靠性、最小的体积和最低的成本，数字和模拟IC的设计及制造正在趋向于统一的加工平台，由单一的功能电路向系统级电路发展，这也是目前最具潜力的IC发展方向——SOC。

SOC是微电子设计领域的一场革命，它从整个系统的角度出发，把智能核、信息处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在单个或少数几个芯片上完成整个系统的功能，即我们可以把越来越多的电路设计在同一个芯片中，这里面可能包含有*处理器(CPU)、嵌入式内存(Embeddedmemory)、数字信号处理器(DSP)、数字功能模块(Digitalfunction)、模拟功能模块(Analogfunction)、模拟数字转换器(A/D，D/A)以及各种外围配置(USB，MPEG)等等。这就为设计者进行电子系统设计和开发提供了可利用的最新手段。采用片内可再编程技术，使得片上系统内硬件的功能可以像软件一样通过编程来配置，从而可以实时地进行灵活而方便的更改和开发，甚至可以在系统运行过程中不停机地进行再配置，使相同的硬件可以按不同时段实现不同的功能，提高了系统的效率。这种全新的系统设计概念，使新一代的SOC具有极强的灵活性和适应性。它不仅使电子系统的设计和开发以及产品性能的改进和扩充变得十分简易和方便，而且使电子系统具有更好的性能、更低的功耗、更小的体积和更低的成本，带来了电子系统设计与应用的革命性新变革，可广泛应用于移动电话、硬盘驱动器、个人数字助理和手持电子产品、消费性电子产品等。SOC是21世纪电子系统开发应用的新平台。TI公司推出型号为MSC120产品，它是一款具有8通道24位△-Σ模数/转换器及单通道8位数/模转换器的增强型8051MCU。具有片上温度传感器、I2C、SPI接口以及低电压监测功能，非常适合于工业应用，如秤重、过程控制、智能传感器等。

模拟电路可以作为我国未来集成电路发展的切入点

我国集成电路产业经过30多年的发展，现已形成良好的产业基础。2004年，中国集成电路设计业和芯片制造业已经取得突破性进展，集成电路市场需求达243亿块，然而在这243亿块集成电路中，中国本地产的产品不到8%，这其中既蕴藏着巨大商机，同时也反映了中国IC设计业与国际IC设计业的差距。中国的集成电路业正面临着前所未有的机遇与挑战。2005年中国消费电子产业保持快速增长，对集成电路产品需求大幅增加。

中国广阔的模拟IC应用市场，给模拟IC技术带来足够的发展空间。模拟电路可以作为我国未来集成电路发展的切入点。做CPU的许多知识不是从书本上可以学到的，而是经验和窍门。中国缺少这类人才，还需要长时间的经验积累。并且，经费也是一个问题，芯片每一次投片需要投入几十万美元，而高性能的CPU投片七、八次是很正常的。中国集成电路水平在通用CPU产品领域甚至相差20至30年的水平。

因而，我们可以避开高档的CPU，瞄准国际IC产业发展的趋势，即SOC，通过嵌入式芯片的设计实施跟踪和突破。因为在数字设计中，几乎每件事都可以自动完成;但模拟电路仍然要依靠工程师的智慧来实现设计。采用模拟和数字结合的嵌入式芯片IC制造业无论从质还是从量来说都不算发达，但是只要找准了发展方向，伴随着全球产，能充分发挥我们已有的生产能力;而且，它种类众多，在诸如手机、数字电视、DVD、电视机顶盒、PDA等不同领域应用广泛，与高度标准化的PC只有英特尔一家独大现象不同，国外大公司很难形成垄断。

虽然中国业东移的大潮、中国的经济稳定增长，再加上巨大的内需市场，以及充实的人力资源，丰富的自然资源，可以说，中国模拟集成电路的发展尽得天时、地利、人和之优势。相信在不远的将来，中国将会继美国、日本、*、韩国、新加坡之后，崛起为新的世界集成电路制造中心。