浅析模拟与数字集成的发展与挑战

摩尔定律的缩减现象体现了数字领域不断增长的集成化趋势。晶体管几何尺寸(节点大小)日益缩小意味着更多功能可被集成到同一芯片上。芯片尺寸越小，功耗越低，使得在能量和热量方面的进一步集成更具可行性。其结果是更快更强大的微处理器、更高密度的存储设备以及功能更强大的系统级芯片SoC实现了集成，不久前还需要一块或多块电路板组成的集成电路，现在却能全部集成到单一芯片上。最近，集成已经开始涉及将模拟功能与数字功能模块集成在同一芯片上，包括基本比较器、模数转换器、数模转换器、 传感器、混合器、 模拟多路复用器等。本文将从这个角度探讨模拟集成的优势。

得益于摩尔定律，集成为数字电路设计师创造了众多优势， 例如提供减小封装的有利条件(电路板空间)、降低功耗、提升性能、降低成本等。

将模拟电路集成到典型的全数字集成电路中，可以降低模拟电路设计中固有的不确定性。芯片供应商提供在特定参数内性能良好的有界构建模块。通常情况下，集成构建模块在传统的离散级模拟电路中可以定制并动态修改，当然即使可实现，也比较困难。芯片制造商通过对一些典型的最差应用场景进行测试、描述及说明，帮助解决了很多典型的模拟设计问题。集成令设计师能够更加精细地进行产品设计。

集成的易用性及预验证特性有利于缩短产品设计时间，同时减少进行单个分立元件选择以及计算、核对组件参数的时间，从而加快产品上市速度，最终提高盈利的可能性。

虽然模拟集成以混合信号专用集成电路(ASIC)和标准单元集成电路的形式存在了多年，但其近期开始在更为主流的专用标准产品(ASSP)设备中得到应用。随着越来越多的芯片供应商将各种级别的模拟功能模块集成到之前的全数字集成电路当中，几乎所有的微控制器和微处理器都已具备某种级别的模拟集成。此外，还有一些设备集成了不同形式的可编程模拟逻辑模块如现场可编程门阵列(FPGA)和可编程片上系统(PSoC)等。

然而，我们必须深刻了解模拟和数字电路融合过程中的固有难题。

人们一直在持续努力缩小数字功能模块尺寸，以提供更高密度及更低功耗。然而，数字处理模块尺寸缩小可能导致较差的模拟特性。

设想一块需要由高速模拟功能模块与高密度数字电路系统混合组成的芯片，该芯片的两个组成部分所需技术不同，适用于低功耗、高密度数字电路的最佳工艺不一定适合高速模拟电路。一旦其工艺节点只有或低于28nm，便不再具备最佳模拟特性，这将可能减缓未来混合信号的集成化水平，甚至扭转这一发展趋势。

即使有时候在数字优化集成电路上部署模拟功能模块存在技术可行性，但从经济角度来看却可能不利于实现。模拟功能模块在130nm及以上工艺节点可能能够以相当低的成本良好运作，然而如果仅仅为了提升集成化的水平而将其工艺节点降至45nm及以下，那么可以想象模拟功能模块性能将如何。

对于配备了通用微控制器，且在分离装置中安装了模拟功能模块的系统，其组件更易进行更换或找到其他货源。如果微控制器不包含模拟功能，该微控制器便可由该系统中具有同等功能，能够控制并与模拟子器件通信的任一微控制器代替;同样如果系统中的部分或全部模拟器件是分离状态，只要能够获得更好的集成电路，便可用等效元件替代使用。

相反，如果微控制器包含集成模拟组件且提供特殊用途，那么就不可能从另一家制造商那里找到具有完全相同功效的微控制器。通过部署功能模块，设计人员能够准确地控制系统的功能。而 “一体化”集成微控制器则使设计人员受限于设备所具有的组合特性，例如：当系统设计需要三个模拟转换器，而系统微控制器只允许安装两个的时候，设计人员就必须添加一个外置模拟转换器或者更换微控制器;另一方面，如果微控制器提供的功能或接口在实际设计中并未使用，那么这些功能(以及微控制器额外成本和复杂特性)就被完全浪费了。

最后我们探讨一下采购的灵活性问题：模拟设计一直被视为一项专业技术。通常情况下，高密度数字集成电路均来自专业技能。在某一领域掌握特定技能的公司一般都很难在另一领域占有同样的优势。这也就是为什么很难看到在两个领域同时具有相同竞争力的公司。

总之，随着电路系统和功能模块范围越来越广，模拟集成具有的优点已经不容忽视，应该予以重视。然而，要将模拟电路整合到数字IC基板上十分困难，设计人员需要权衡不同的性能，而且有时候模拟性能无法满足应用设计需求。通过e络盟平台，设计人员能够非常方便地与全球信号处理方案的领先供应商进行沟通，且可任意使用e络盟平台提供的广泛优质产品系列和数据转换、放大器及电源管理解决方案等。