在過去的十年里，模擬設(shè)計人員和電源設(shè)計人員的角色一直在發(fā)生變化。最近，隨著半導(dǎo)體集成水平越來越高以及產(chǎn)品制造領(lǐng)域的全球性變化，這種角色變化的趨勢進一步加劇。概括地講，集成正在從處理器延伸到各種模擬外設(shè)，逐漸向上游發(fā)展，制造業(yè)也正在向中國轉(zhuǎn)移。仔細(xì)研究一下，發(fā)現(xiàn)這是一個非常有意思，且具有啟發(fā)性的故事。
新角色
我們首先回顧一下模擬設(shè)計人員角色演變的過程。人們曾經(jīng)希望模擬設(shè)計人員(無論男女)成為精通一項不可思議的藝術(shù)的大師，他們的任務(wù)是實現(xiàn)或多或少的各種單功能器件之間的互連。很久以前，他們處理的器件從無源器件和電子管，然后是晶體管、運算放大器和比較器，發(fā)展到簡單的定時IC、PLL、ADC和DAC等。他們的工作是驅(qū)動模擬收音機和電視、示波器和X光機、雷達裝置和投彈瞄準(zhǔn)器，從模擬信號的角度來看，大多數(shù)這些設(shè)備都與真實世界發(fā)生交互。最近，數(shù)字輸出的出現(xiàn)，極大地方便了與微控制器或DSP的交互，而這些器件則是數(shù)字設(shè)計人員涉及的領(lǐng)域。(請參見：An Early Experience with Mixed-Signal Design Disciplines。)
如今，情況發(fā)生了變化。當(dāng)混合信號芯片廠商發(fā)布新產(chǎn)品時，許多新產(chǎn)品(可能是其中的大部分器件)都是面向特定應(yīng)用的，它們包含整個信號鏈，從傳感器輸入以各種形式收集模擬數(shù)據(jù)，并將模擬數(shù)據(jù)變成電壓電平，到通過信號調(diào)節(jié)進行數(shù)字化。輸出通常是針對芯片廠商的某種微控制器或DSP的輸入進行預(yù)配置的。事實上，一般都會有完整的參考設(shè)計可供使用。終端產(chǎn)品廠商唯一要做的事情就是確定要實現(xiàn)哪些功能，價位多少，以及包裝電子器件的封裝設(shè)計。
芯片廠商的這種商業(yè)模式似乎在全球范圍內(nèi)都比較普遍。而歐洲、日本和韓國是特例，這些地區(qū)的IC制造商都是大型的垂直集成型機構(gòu)，新款芯片的主要客戶可能都是內(nèi)部客戶，而北美芯片公司的客戶往往是中國廠商。
對于模擬設(shè)計工程師來說，產(chǎn)品集成的這種變化已經(jīng)改變了他們的職業(yè)前景。除了從事工業(yè)控制領(lǐng)域工作的工程師以及軍事航空和電信公司的工程師之外，以前需要在工作臺上進行的設(shè)計工作已經(jīng)不復(fù)存在了。所有我訪問過的公司都認(rèn)為，模擬設(shè)計領(lǐng)域的機會已經(jīng)轉(zhuǎn)移到了芯片公司，芯片公司的模擬工程師可以是該公司內(nèi)部或者這個領(lǐng)域的混合信號芯片設(shè)計人員或者應(yīng)用工程師。
促進改革的推動力
事情發(fā)展到這種局面經(jīng)歷了一些過程。顯然，IC設(shè)計規(guī)則一代代地持續(xù)縮小推高了集成度，不過由于允許的工作輸入電壓隨著物理尺寸的縮小而降低，也同樣帶來了各種難題。
僅僅從模擬領(lǐng)域完善模擬芯片設(shè)計可能會使芯片生產(chǎn)工藝停留在0.35微米時代。從那時起就已經(jīng)有必要通過數(shù)字領(lǐng)域的技巧來緩解基本的噪聲問題。
事實上，設(shè)計規(guī)則的縮減已經(jīng)成為混合信號集成的推動因素之一。將信號調(diào)節(jié)放大器連接到ADC不再需要留給客戶工程師來做了：這些工程師并不是非常熟悉工藝技術(shù)以及在信號鏈各級實現(xiàn)的專有技術(shù)。芯片廠商如果不希望客戶抱怨他們的產(chǎn)品沒有在真實設(shè)計中達到其數(shù)據(jù)手冊中的特性，他們就必須將接口隱藏在芯片封裝內(nèi)。即使是這樣，最終產(chǎn)品的性能也不可能由于客戶修改了由工廠開發(fā)的布局而得到提升。因此，我們找到了完整的參考設(shè)計和Gerber圖，并且找到大批現(xiàn)場應(yīng)用工程師向客戶解釋，為什么工程師們確實不愿意用便宜的電容來給每個電路板節(jié)省半分錢的成本。
削減材料成本往往會將一個設(shè)計置于死地，這種觀念為過渡到高集成度混合信號IC產(chǎn)品提供了主要依據(jù)。
對于購買新型混合信號產(chǎn)品并將這些產(chǎn)品變成面向普通民眾和新興中產(chǎn)階段的消費類產(chǎn)品的公司(OEM和ODM)而言，他們正面臨著這樣的難題。
我們先來了解一下這些首字母縮略詞——OEM是原始設(shè)備制造商的縮寫，而ODM是原始設(shè)計制造商的的縮寫。我無法在網(wǎng)絡(luò)上找到一個我認(rèn)同的明確解釋，因此我會提出一個與我在芯片業(yè)務(wù)中獲悉的說法相一致的定義。
概括地講，這是一種分級的局面：OEM為銷售品牌產(chǎn)品的公司生產(chǎn)有品牌的產(chǎn)品。ODM則生產(chǎn)組件，可能有多家公司會在這些組件上加上GUI，并用外殼進行封裝后，以多種未注冊的商標(biāo)進行銷售。
OEM這個名稱是OEM概念在汽車業(yè)務(wù)中的延伸。福特(Ford)或豐田(Toyota)銷售給普通用戶的擋風(fēng)玻璃雨刮器電機可能就是外面的廠家按照福特或豐田的規(guī)格生產(chǎn)的。這種電機可能還需要進行某種驗收之后才能進入福特或豐田的“車廠到經(jīng)銷商”的供應(yīng)鏈中。福特或豐田的品牌以及該電機來自汽車公司的零件部這一事實會給我們帶來信心，使得我們愿意接受這些產(chǎn)品高于從產(chǎn)品目錄中購買的具有同樣規(guī)格的產(chǎn)品的價格。
在電子產(chǎn)品由中國廠商(這些廠商可能已經(jīng)購得了以前比較出名的北美品牌的品牌權(quán))生產(chǎn)的情況中，運行機制是相似的：以擁有品牌的公司的名義銷售的產(chǎn)品是無與倫比的，公司可能在十年或者更長的時間都一直在致力于通過優(yōu)異的性能、過硬的質(zhì)量和顧客支持，為其品牌建立聲譽。
在中國，這類公司往往面向的是海外市場。當(dāng)海外市場像現(xiàn)在一樣不景氣的時候，情況就不是很妙，這樣，它就無法支持通常較短的消費產(chǎn)品生命周期。(我們應(yīng)該每三年買一個新電視。)
同時，中國中產(chǎn)階段群體的規(guī)模在與日俱增；這個群體的人群可能要比全球任何地區(qū)中產(chǎn)階段的人都要多，這些普通百姓一般都沒有采用一流的消費產(chǎn)品，因此他們現(xiàn)在有了強烈的購買欲望。
此外還需要記住的是，他們沒有用信用卡的習(xí)慣，因此，雖然他們無法像西方消費者一樣消費那么多，但是他們幾乎不可能引起經(jīng)濟泡沫，如果像中國一樣，你一直接受的是嚴(yán)格的馬克思主義經(jīng)濟學(xué)的熏陶，這可能是一件好事。
這就是OEM所面臨的局面。如果芯片公司的參考設(shè)計有足夠的功能支持具有各種價位(與實現(xiàn)的功能數(shù)成正比)的常規(guī)設(shè)計，如果可以通過多個國內(nèi)品牌的不同配置來提供設(shè)計，并且ODM能以最低的非重復(fù)性工程(NRE)成本迅速將其導(dǎo)入生產(chǎn)階段，那么這種產(chǎn)品就是一個成功的產(chǎn)品。
也可以這樣說，如果產(chǎn)品能夠支持終端用戶對價格和性能的期望，那么這種產(chǎn)品就是一個成功的產(chǎn)品。例如，很久以前，我曾經(jīng)寫過一篇有關(guān)日本和中國空調(diào)市場的文章(網(wǎng)址為http://electronicdesign.com/article/power/air-conditioner-chip-set-is-way-cool12211.aspx)。議題是不同的壓縮機需要的電機控制以及價格與安靜度之間的折衷。日本消費者愿意為噪聲比較小的空調(diào)支付更高的價格；而中國消費者只要求空調(diào)能致冷就行了。
除了經(jīng)濟因素之外，還有各種其它的文化考量。如果你所在國家的大部分地區(qū)都存在醫(yī)生和醫(yī)院嚴(yán)重短缺的狀況，那么資質(zhì)相對較低的醫(yī)生使用的比較便宜的醫(yī)療儀器將在整體醫(yī)療方面起到極大的作用。因此，你會發(fā)現(xiàn)ODM不僅生產(chǎn)便宜的筆記本電腦、空調(diào)和照相機，而且還生產(chǎn)基本的超聲波儀器。(請參見：An Early Experience with Mixed-Signal Design Disciplines，網(wǎng)址為http://electronicdesign.com/article/analog-and-mixed-signal/New-Technology-Treats-Medical-Needs-In-Developing-Countries.aspx。)
如果OEM或ODM的商業(yè)模式需要廠商應(yīng)對高NRE費用，這種商業(yè)模式就不起作用。這是我們贊同半導(dǎo)體廠商應(yīng)該專注于更有難度的模擬設(shè)計工作的另一個因素，而不是遵循舊的模式，開發(fā)各種單獨的高性能IC，并“將這些IC一股腦兒扔給”終端產(chǎn)品設(shè)計人員。
缺乏導(dǎo)師
避免這種脫節(jié)同樣也是近代中國發(fā)展的一個側(cè)面。每當(dāng)我與半導(dǎo)體公司的高級工程師談起未來的模擬設(shè)計人員將來自哪個群體時，他們總是告訴我，新大學(xué)畢業(yè)生至少需要高級設(shè)計人員指導(dǎo)五年之后才能真正充分發(fā)揮作用。
毫無疑問，在中國的工程設(shè)計院校學(xué)習(xí)的年輕學(xué)生既聰明又勤奮，不過他們畢業(yè)之后，卻面臨著嚴(yán)重缺少高級導(dǎo)師的問題。據(jù)悉，由于已在海外工作幾十年的退休工程師回到工作崗位，這個問題在一定程度上有所緩解，不過只有等到更多的應(yīng)屆畢業(yè)生度過他們的成熟期之后，這個問題才會得到徹底解決。
這并不意味著年青的中國工程師一直在原地踏步。多個資源來源顯示，年青的中國工程師非常依賴他們自己的社交媒體，從而在技術(shù)問題上尋求相互支持。
影響延伸到無晶圓廠
到此為止，本文討論的范圍已經(jīng)涉及到了傳統(tǒng)的半導(dǎo)體公司及其客戶，但是向高混合信號集成度發(fā)展以及通過參考設(shè)計提供完整的產(chǎn)品化的趨勢也延伸到了無晶圓廠新創(chuàng)公司。這里舉一個例子，我以前寫過一篇有關(guān)Samplify公司的文章，該公司從一家IP供應(yīng)商發(fā)展成一家ADC供應(yīng)商，最后發(fā)展成便攜式超聲波設(shè)備的完整產(chǎn)品設(shè)計提供商(網(wǎng)址為http://electronicdesign.com/article/analog-and-mixed-signal/The-Mind-Of-An-Entrepreneur.aspx)。
Samplify公司實現(xiàn)這一飛躍的途徑是面向ODM進行優(yōu)化，不過這不是無晶圓廠公司唯一可行的辦法。蘇格蘭公司W(wǎng)olfson Microelectronics表示，它正在尋求將其編解碼器用在大公司的參考設(shè)計板的機會，從而能將他們的產(chǎn)品賣給OEM。
中國以外的地區(qū)
由于遠(yuǎn)東地區(qū)消費類產(chǎn)品的產(chǎn)量極具影響力，因此在討論這種趨勢時，很難不去詳細(xì)討論遠(yuǎn)東地區(qū)。不過更高集成度和預(yù)先優(yōu)化的設(shè)計也開始在西方工業(yè)控制市場出現(xiàn)。
根據(jù)定義，工業(yè)控制是專注于特定產(chǎn)業(yè)的區(qū)域性領(lǐng)域，與消費類產(chǎn)品相比，工業(yè)控制領(lǐng)域的任何一種項目需要的IC數(shù)都非常少。盡管如此，總的來講，工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)τ诜咒N商而言也是一筆大業(yè)務(wù)。這里的問題在于，隨著半導(dǎo)體公司不斷招收越來越多的應(yīng)屆大學(xué)畢業(yè)生，并將他們派上芯片設(shè)計工程師和應(yīng)用工程師的工作崗位，從事工業(yè)控制開發(fā)工作的新模擬設(shè)計工程師(無論是大公司還是小設(shè)計公司)就存在一定的短缺。與此同時，高級設(shè)計工程師日漸年長，紛紛退休，一方面在經(jīng)驗上造成損失，另一方面加劇了供應(yīng)減少的局勢。
認(rèn)識到這一點之后，一些半導(dǎo)體公司開始改革。美國國家半導(dǎo)體公司(NSC)就是一個很好的例子。被德州儀器(TI)收購后，NSC一定會起死回生的其中一個因素就是其WEBENCH在線設(shè)計工具組合產(chǎn)品。從過去來看，這些產(chǎn)品致力于采用功能上相對簡單(與本文討論的IC相比)的IC進行設(shè)計，不過最近發(fā)布針對特定傳感器定制的信號調(diào)節(jié)產(chǎn)品之后，這種局面發(fā)生了變化。補充新硬件是一種可定制整個信號鏈的新型WEBENCH實現(xiàn)方案。(請參見：Chips Implement Sensor Signal Chains From Nanoamps To Bits，網(wǎng)址為http://electronicdesign.com/article/analog-and-mixed-signal/Chips-Implement-Sensor-Signal-Chains-From-Nanoamps-To-Bits.aspx)。
LMP91000就是這種傳感器產(chǎn)品中的一個例子，這是一款面向電化學(xué)傳感應(yīng)用的可編程模擬前端(AFE)，以下網(wǎng)站上有該產(chǎn)品的說明：http://www.national.com/pf/LM/LMP91000.html#Overview。
電源因素
自從開關(guān)穩(wěn)壓器中出現(xiàn)數(shù)字控制功能之后，電源管理IC廠商已經(jīng)走上了與混合信號IC廠商相似的道路。這對于采用中間總線架構(gòu)(IBA)的應(yīng)用而言尤其如此，在這類應(yīng)用中，關(guān)閉模擬領(lǐng)域的控制回路通常被視為一種模擬魔術(shù)。因此Power-One和NSC等芯片廠商通過圖形用戶接口(GUI)支持其“數(shù)字”電源產(chǎn)品，圖形用戶接口則承擔(dān)設(shè)計過程中的所有需在工作臺上完成的設(shè)計工作和大量分析工作。
對于大多數(shù)器件來講，這些產(chǎn)品都是DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器，不過Vicor公司最近發(fā)布了一款名為PowerBench的電源設(shè)計工具，該工具支持從簡單的降壓穩(wěn)壓器和升壓穩(wěn)壓器到完整的多路輸出AC-DC電源的設(shè)計。
混合信號產(chǎn)品示例
接下來我們抽查一下各種半導(dǎo)體公司最近發(fā)布的產(chǎn)品，以此來舉例說明上述各種混合信號芯片。
去年3月，TI發(fā)布了16位和14位雙通道同步采樣逐次逼近(SAR) ADC，這兩款A(yù)DC都帶有獨立控制的內(nèi)部電壓參考，可簡化系統(tǒng)級設(shè)計。16位ADS8363、14位ADS7263和12位ADS7223(圖1)可以提供同類ADC兩倍的每通道吞吐能力，支持高達1Megasample/s的采樣速率。這些ADC的目標(biāo)應(yīng)用為工業(yè)控制領(lǐng)域，而不是消費類或醫(yī)療應(yīng)用。典型應(yīng)用包括馬達控制、電能質(zhì)量測量、電力自動化以及太陽能和風(fēng)力發(fā)電逆變器。
圖1：Bulletproof的參考設(shè)計對于銷售和應(yīng)用旨在去除設(shè)計特定混合信號應(yīng)用所需硬件的IC至關(guān)重要。這塊針對TI公司面向工業(yè)控制的ADSxx63雙通道SAR的電路板相當(dāng)簡單，因為芯片的使用相對較簡單。
集成兩個2.5V獨立控制的電壓參考的意義在于實現(xiàn)獨立的ADC增益校準(zhǔn)和實現(xiàn)可編程增益放大器。此外，這種功能還可以在每個ADC需要不同的增益水平時減少外部信號調(diào)節(jié)的需求。
凌力爾特公司(Linear Technology)的新產(chǎn)品一般都針對汽車應(yīng)用。從高集成度的角度來講，凌力爾特公司面向混合動力汽車/電動汽車(EV)和其它高壓高性能電池系統(tǒng)的LTC6803第二代高壓電池監(jiān)測器可以解決通過串聯(lián)電池組的高壓的問題。多個LTC6803可以在不使用光耦或隔離器的情況下串聯(lián)在一起(圖2)，從而對電池陣列中的每個電池實現(xiàn)精確電壓監(jiān)測。每個LTC6803電池測量IC都包含一個12位ADC、一個精密電壓參考、一個高壓輸入復(fù)用器和一個串行接口。單個LTC6803可以測量多達12個串聯(lián)的獨立電池。可以測量的電池電壓范圍為-300mV至5V，這使得LTC6803能夠監(jiān)測許多不同的化學(xué)電池和超級電容。除了精密測量之外，還可以監(jiān)測每個電池的欠壓和過壓狀況，提供相關(guān)的MOSFET使過度充電的電池放電。此外還有一個5V穩(wěn)壓器、一個溫度傳感器、GPIO線路和熱敏電阻輸入。
圖2：凌力爾特公司針對利基市場的高集成度發(fā)展路線包含了在不采用光耦的情況下監(jiān)測電動汽車電池組狀態(tài)的諸多技術(shù)。
測量汽車的電池陣列有一些獨特的要求，從而催生了一些同樣獨特的解決方案。例如，對于長期的電池組存放，集成式電池管理系統(tǒng)消耗的電流會使電池失去平衡。凌力爾特公司的應(yīng)對方法是采用待機模式，在該模式下汲取的電流不到12微安。此外，由于LTC6803的電源輸入與電池組隔離，因此LTC6803可以汲取獨立電源的電流，在這種情況下，從電池組汲取的電流將不到1微安。除此之外，芯片還必須滿足汽車溫度、環(huán)境和安全標(biāo)準(zhǔn)。
今年1月，ADI發(fā)布了面向心電圖(ECG)系統(tǒng)的模擬前端芯片系列的首款產(chǎn)品。ECG系統(tǒng)可以測量和記錄人體心臟的心電活動(圖3)，實現(xiàn)對出生缺陷、心律失常、心臟瓣膜問題和心臟肌肉的供血不足等疾病的診斷和分析。
圖3：ADI公司用于便攜式ECG的模擬前端可以在滿足嚴(yán)格要求的同時，節(jié)省功耗和BOM成本。
ADAS1000 ECG AFE可以省去5電極心電監(jiān)護系統(tǒng)的信號鏈中的50多個元件。該器件還整合了心臟起搏器脈搏檢測和呼吸測量功能。這是一個通用器件，因為它可以通過配置來優(yōu)化噪聲性能、功耗或數(shù)據(jù)速率。這些指標(biāo)是家庭、門診和醫(yī)院ECG系統(tǒng)的不同設(shè)計目標(biāo)。
對于ODM和OEM而言，自然就有相當(dāng)多的設(shè)計支持。評估板包括模擬前端、電源、控制和接口選擇方案。由于模擬前端是唯一的，因此ADI將其與ADI的Blackfin DSP(數(shù)字信號處理器)、單芯片USB隔離器、四通道數(shù)字隔離器、5kV DC-DC轉(zhuǎn)換器，433MHz、868MHz和915MHz ISM波段收發(fā)器和各種DC-DC穩(wěn)壓器整合在一起。
TI還推出了一個面向便攜式ECG系統(tǒng)的模擬前端系列。最新的24位ADS1298R整合了呼吸檢測功能，集成了40多個分立元件(如果不集成的話就需要這么多元件)。該芯片(圖4)的功耗比分立實現(xiàn)方案低95%。片上器件包括八個ADC、八個可編程增益放大器(PGA)、八個有源濾波器以及一個心臟起搏器檢測接口、持續(xù)斷線檢測功能、一個電壓參考和右腿驅(qū)動電路等。在參考設(shè)計中，該芯片與超低功耗DSP配合使用。參考設(shè)計還可以實現(xiàn)示波器、FFT和直方圖顯示，這體現(xiàn)了芯片公司在這些目標(biāo)混合信號芯片中提供的設(shè)計支持。
圖4：除芯片廠商之外的其它公司會從本文介紹的趨勢中獲益。TI的心電圖產(chǎn)品可與ADI相媲美。評估板可與Fluke公司的這款商業(yè)仿真器配合使用。
集成度有時候也涉及MEMS。ADI在1月推出了具有I2S(Inter-IC Sound，音頻芯片互連)數(shù)字輸出的高性能MEMS麥克風(fēng)ADMP441。(這是產(chǎn)前公告，今年6月開始量產(chǎn))。該公司以前在其iMEMS系列中推出了其它的麥克風(fēng)產(chǎn)品，不過這款新麥克風(fēng)器件不需要進行信號調(diào)節(jié)和數(shù)字化操作，而是直接提供24位串行數(shù)據(jù)輸出。其規(guī)格如下：頻率響應(yīng)為100Hz至15kHz，SNR為61dBA，電源抑制比(PSRR)為80dBFS。采用4.72×3.76×1.00mm3的封裝。
圖5：集成并不意味著不使用電子元件。ADI將MEMS麥克風(fēng)與其相關(guān)的電子器件集成在一起，實現(xiàn)了一款尺寸極小的耐用設(shè)備。