用集成方式解決混合信號(hào)半導(dǎo)體的挑戰(zhàn)

　　由于汽車與工業(yè)應(yīng)用中的電子器件顯著增多，因此在持續(xù)快速增長的中國電子工業(yè)中，汽車與工業(yè)市場(chǎng)仍然扮演著重要角色。

　　值得注意的是，在電子設(shè)計(jì)方面，汽車與工業(yè)領(lǐng)域之間的共同要求越來越多。例如，由于傳感器數(shù)量越來越多，現(xiàn)在這兩個(gè)領(lǐng)域的許多應(yīng)用都依賴于復(fù)雜的信息處理，同時(shí)，精確電機(jī)控制或者對(duì)繼電器等機(jī)電執(zhí)行元件的需求也已非常普遍。網(wǎng)絡(luò)也是一個(gè)正在大幅度增長的領(lǐng)域?，F(xiàn)在，汽車和工業(yè)設(shè)計(jì)中都采用CAN和LIN等車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)IVN標(biāo)準(zhǔn)，以將傳感器、執(zhí)行器和處理器與相關(guān)控制和管理功能連接起來。

　　最后，汽車和工業(yè)應(yīng)用還都需要在各種惡劣、苛刻的環(huán)境中提供長期可靠的運(yùn)行。這種環(huán)境條件包括溫度、震動(dòng)、電噪，許多情況下還需要在高壓下運(yùn)行。

　　混合信號(hào)半導(dǎo)體

　　面對(duì)必須在短周期、緊張預(yù)算控制內(nèi)實(shí)現(xiàn)新設(shè)計(jì)，以及在越來越小的空間內(nèi)使用最少數(shù)量組件的壓力，設(shè)計(jì)人員正在尋找各種途徑，從傳統(tǒng)分立元件設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)到集成度更高的半導(dǎo)體器件。這使得對(duì)片內(nèi)系統(tǒng)ASIC和ASSP器件的需求不斷增長，這些器件利用混合信號(hào)半導(dǎo)體技術(shù)將模擬和數(shù)字功能集成在了同一芯片上。

　　真正的混合信號(hào)工藝需要把電壓較高、噪聲敏感度較高的電路與電壓較低但會(huì)產(chǎn)生噪聲的數(shù)字電路隔離開，這可通過使用深槽隔離技術(shù)實(shí)現(xiàn)。在該技術(shù)中，一系列隔離槽深埋在芯片襯底內(nèi)，從而有效地形成能夠很好控制噪聲和電源參數(shù)的片內(nèi)“保護(hù)區(qū)pockets”。傳統(tǒng)混合信號(hào)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)放大器、ADC、濾波器等控制與信號(hào)處理功能與微控制器、存儲(chǔ)器、定時(shí)器、邏輯控制等數(shù)字功能的結(jié)合。但是為滿足新興汽車與工業(yè)設(shè)計(jì)的需求，混合信號(hào)處理的能力必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這些?，F(xiàn)在混合信號(hào)半導(dǎo)體廠商面臨著諸多挑戰(zhàn)，他們必須把傳統(tǒng)混合信號(hào)設(shè)計(jì)的相關(guān)功能與保證高壓高溫運(yùn)行的各種技術(shù)結(jié)合起來，提供高水平的抗電磁干擾和瞬態(tài)電壓能力，提供滿足相關(guān)行業(yè)機(jī)構(gòu)質(zhì)量與安全要求的產(chǎn)品，還要以最低成本滿足上述需求，并把握進(jìn)入市場(chǎng)的最佳時(shí)機(jī)。

　　而且，如果是要滿足當(dāng)今汽車與工業(yè)工程師的需求，傳統(tǒng)混合信號(hào)器件的基本功能也必須在嵌入式智能化、存儲(chǔ)器、公用網(wǎng)絡(luò)控制器及接口可用性、直接執(zhí)行器輸出等領(lǐng)域大幅擴(kuò)展。

　　高壓Smart Power

　　對(duì)用于汽車和工業(yè)領(lǐng)域的許多混合信號(hào)器件而言，高壓性能是一個(gè)關(guān)鍵要求，無論是電機(jī)控制、繼電器驅(qū)動(dòng)還是僅僅需要耐受瞬態(tài)高壓的能力。幸運(yùn)的是，現(xiàn)在有很多高壓混合信號(hào)半導(dǎo)體加工工藝能夠滿足這一要求。

　　以AMI半導(dǎo)體公司的I3T80 Smart Power加工工藝為例，基于0.35mm CMOS的I3T80工藝可以在80V的條件下運(yùn)行，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠使用高集成度數(shù)字電路、高壓電路以及高精度模擬模塊的芯片，減少組件數(shù)量、節(jié)約空間并降低成本。

　　這種高壓工藝可使門電路密度高達(dá)15000/mm2，并包括高性能縱向浮動(dòng)nDMOS晶體管在內(nèi)的一整套高壓DMOS和雙極器件。另外，這種工藝還采用NPN和PNP雙極器件、高壓浮動(dòng)二極管和多種無源器件，并為希望使用AMIS工藝設(shè)計(jì)，需要PLL、USB接口、總線協(xié)議控制器、用于網(wǎng)絡(luò)連接的控制器、嵌入式微處理器等選件的設(shè)計(jì)人員提供IP功能塊。

　　AMIS Smart Power采用金屬-金屬電容器和良好匹配的高阻抗電阻。靜電放電ESD是產(chǎn)品開發(fā)的一個(gè)重要方面，4.5kV HBM人體模型和750V CDM設(shè)備充電模型的額定值可以滿足最為苛刻的要求。

　　處理器和存儲(chǔ)器

　　混合信號(hào)電路的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是增加某種類型的中央處理電路，使AMIS I3T80加工工藝適用于ARM7TDMI、R8051、6502內(nèi)核等選件。而且，由于片內(nèi)處理的需要，還出現(xiàn)了對(duì)片內(nèi)數(shù)據(jù)與程序存儲(chǔ)的要求。一般使用數(shù)據(jù)鎖存器、寄存器、RAM等易失性存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，但需要持續(xù)供電來保留數(shù)據(jù)。然而，較新的混合信號(hào)設(shè)計(jì)采用包括OTP或EEPROM等在內(nèi)的非易失性存儲(chǔ)器NVM選件來進(jìn)行工廠編程，最近又采用閃存選件。例如，AMIS公司為其I3T80 Smart Power高壓混合信號(hào)系統(tǒng)工藝技術(shù)開發(fā)出嵌入式高注入MOSHiMOS閃存。成熟的I3T80混合信號(hào)技術(shù)與強(qiáng)大的新型NVM結(jié)合，將使設(shè)計(jì)人員能夠?yàn)樽類毫拥钠嚺c工業(yè)工作環(huán)境創(chuàng)建經(jīng)濟(jì)型智能傳感器接口、智能執(zhí)行器以及其它高級(jí)單芯片器件。

　　HiMOS閃存能夠在-40℃~125℃溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。它使設(shè)計(jì)人員能夠嵌入雙排存儲(chǔ)器，其中一排是高達(dá)64kB的代碼存儲(chǔ)，另一排是高達(dá)512字節(jié)的虛擬EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。由于AMIS HiMOS閃存是僅使用I3T80基本工藝掩模組上的三個(gè)額外掩模層實(shí)現(xiàn)的，因此這種基于閃存的智能化Smart Power芯片為分立元器件以及其他SoC替代方案提供了一種非常經(jīng)濟(jì)的選擇。

　　HiMOS閃存最多可提供100個(gè)代碼存儲(chǔ)擦除周期和最少10000個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)擦除周期。它能夠保存數(shù)據(jù)15年，完全滿足汽車電子組件AEC-Q100臨界應(yīng)力測(cè)試的要求。
網(wǎng)絡(luò)和通信能力

　　構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)需要物理層PHY實(shí)現(xiàn)，并且要求特別注意抗電磁干擾性、總線短路保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)通信阻斷預(yù)防等問題。設(shè)計(jì)人員經(jīng)常需要自己考慮提供這些特點(diǎn)，但最新的混合信號(hào)半導(dǎo)體技術(shù)提供了一種替代方法。

　　在這方面特別令人感興趣的是LIN、I2C、SPI和CAN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，目前，后者已成為汽車和工業(yè)設(shè)計(jì)中非常普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)，是伺服器、傳感器、控制器以及車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)械控制和自動(dòng)化所用的各種其他設(shè)備主機(jī)的互聯(lián)基礎(chǔ)。因此，混合信號(hào)半導(dǎo)體廠家必須以現(xiàn)貨ASSP或IP塊的形式提供CAN和LIN功能，以整合到ASIC中。

　　解決EMC問題

　　隨著汽車和工業(yè)電子器件的增多，電磁兼容性EMC問題也越來越成為工程師所面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。其中三個(gè)主要問題是： 如何最大程度地降低電磁敏感度EMS，從而保護(hù)電子器件不受其他電子系統(tǒng)引起的有害電磁發(fā)射EME的影響;如何保護(hù)電子器件不受惡劣環(huán)境的影響，包括供電系統(tǒng)瞬變或開關(guān)燈和電機(jī)等大負(fù)載或電感負(fù)載產(chǎn)生的干擾等;如何最大程度地降低可能影響其他電子電路的電磁輻射。

　　而且，隨著系統(tǒng)電壓增高、數(shù)字電子器件增多、以及更多高頻電子器件帶來的頻率上升，這些問題越來越突出。此外，現(xiàn)在許多電子模塊都會(huì)連接線性度低、偏移較大的低功率的廉價(jià)傳感器。這種傳感器信號(hào)幅度較小，電磁干擾的影響對(duì)它們的運(yùn)行可能是災(zāi)難性的。

　　這里應(yīng)該注意的關(guān)鍵一點(diǎn)是，輻射和敏感度不是集成電路的主要問題。相反，引發(fā)關(guān)鍵問題的是PCB和線束上的有效天線所產(chǎn)生的傳導(dǎo)發(fā)射和敏感度。

　　在其自有的混合信號(hào)半導(dǎo)體加工基礎(chǔ)上開發(fā)片內(nèi)系統(tǒng)器件的過程中，AMIS通過各種途徑協(xié)助工程師確保他們的最終設(shè)計(jì)符合EMC要求。例如，對(duì)于DSP切換、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器以及其他高頻電流產(chǎn)生的EME，應(yīng)盡可能使用低功耗電路。這可能包括使用降低或自適應(yīng)電源電壓，或使用某種架構(gòu)將時(shí)鐘信號(hào)在頻域內(nèi)擴(kuò)展。還可通過減少同一時(shí)鐘周期內(nèi)開關(guān)元件的數(shù)量來降低EME。另外，通過對(duì)時(shí)鐘和驅(qū)動(dòng)器信號(hào)實(shí)施斜率控制來放緩開關(guān)速度，提供較軟的開關(guān)特性，也有助于降低EME。外部和芯片布局也應(yīng)予以仔細(xì)研究。例如，使用雙絞線的差分輸出信號(hào)產(chǎn)生的EME更少，對(duì)EME也更不敏感。確保VDD和VSS彼此靠近和使用高效電源去耦也是降低EME的簡單方法。

　　整流/抽送、寄生器件、電流與功率消耗是三種對(duì)高EMS最嚴(yán)重的干擾效應(yīng)。高頻電磁功率被集成電路部分地吸收，這樣可能造成各種干擾。其中包括向高阻抗節(jié)點(diǎn)輸出高頻電壓，以及向低阻抗節(jié)點(diǎn)輸出高頻電流。PCB設(shè)計(jì)隨應(yīng)用不同而變化，而產(chǎn)品與PCB設(shè)計(jì)間又存在微妙的關(guān)聯(lián)，因此，系統(tǒng)和集成電路工程師必須密切合作，以最大程度降低其影響，這一點(diǎn)至關(guān)重要。

　　混合信號(hào)ASIC和ASSP

　　AMI半導(dǎo)體公司已利用上述技術(shù)和方法為ASIC和ASSP器件的開發(fā)創(chuàng)造了基礎(chǔ)，滿足工業(yè)與汽車應(yīng)用中的集成、功能、性能、電壓、溫度及環(huán)境要求。

　　傳感器接口ASIC

　　在當(dāng)今系統(tǒng)越來越高復(fù)雜度的驅(qū)使下，更多智能化功能被集成到傳感器元件上?，F(xiàn)在，如上所述這些工藝設(shè)計(jì)上的進(jìn)步已經(jīng)達(dá)到可以實(shí)現(xiàn)這種集成水平的程度。傳感器接口ASIC解決方案可以把一個(gè)普通傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄軅鞲衅?。重點(diǎn)必須放在傳感器元件也包括溫度探測(cè)、霍爾效應(yīng)探測(cè)、校準(zhǔn)和診斷等智能傳感器接口信號(hào)的調(diào)整、轉(zhuǎn)換與處理的最佳方法上。

來源:互聯(lián)網(wǎng)

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