快速工業化轉型需要可靠的模擬技術

隨著全球制造業不斷向亞太地區轉移，在中國大陸一種快速的工業化轉型趨勢已經非常明顯。根據CCID公司的預測，中國大陸對于國際制造業吸引的增長速度雖然在減慢，但整體上說，本地已經形成的制造業無論在規模，還是在質量上已經為全球矚目。加之以本地消費市場的需求進一步拉動，以及不斷方加快的城市化進程，中國大陸的工業化轉型正在全面展開。

快速工業化進程增大了對模擬產品的需求，根據權威機構的統計，亞太地區尤其是中國大陸，已經成為全球對模擬產品需求增長最快的地區。市場分析公司Databeans對全球工業半導體市場的調查報告顯示，2004年全球工業半導體市場銷售額為200億美元，該市場中的最大領域是工業控制，約占32％的份額。其它領域還包括測試與測量占23％；軍用／航空占11％；醫療占10％；其它產品約占24％。模擬IC在工業半導體中占有最大份額，約為18％，目前市場對于模擬電源和專用元件的需求特別旺盛。

美國國家半導體亞太區電源管理產品市場總監黃漢基先生認為，根據Databeans的市場調查數據顯示，工業用模擬芯片產品市場正不斷高速增長，其中以模擬電源管理產品的增長為最快。工業產品市場是美國國家半導體極為重視的市場之一，因此我們特別提供各種全方位的電源管理及信號路徑解決方案，以滿足這個市場的需求。

工業半導體應用一般主要分布在幾個方面，工業過程控制(IPC)、工業自動化、建筑控制、自動售貨機(POS)、測試測量、醫療和安防設備等等。對于多數工業應用，一方面需要非常高的精密度，如對微弱信號的檢測和處理等等；第二很多場合需要要求極高的省電功能，如需要永久加電的監控設備等等；第三是要需要滿足極其嚴酷的工作條件要求，如極端工作溫度變化等等；第四是比較長的產品生命周期。這些要求對于半導體供應商來說需要提供非常可靠的解決方案。

黃漢基先生認為，工業用模擬集成電路必須性能卓越，才可戰勝惡劣的工業環境，執行正常的功能。無論是模擬電源芯片、還是其他產品供應商，第一必須具備可為外圍設備電路提供高負載點電流，而且必須有多個電壓可供選擇。美國國家半導體的LM274x系列同步控制器以及全球最小巧的LM1771同步控制器是這類應用的理想解決方案。第二可為個別的了業系統提供高壓供電。美國國家半導體的LM5000系列高壓電源管理芯片最適用于高壓工業系統。以3階段的電源供應儀表為例來說，由于LM5000系列芯片具有高電壓及高效率的優點，因此獲得許多廠商的青睞，令這系列芯片廣泛用于這類儀表之中。第三可為多種不同工業系統提供隔離式的電源轉換。美國國家半導體的LM5000系列芯片可以精簡現有系統的設計，以及削減系統成本。

在準確度方面，尤其適用于很多人都熟悉的超高頻射頻識別(UHFRFID)讀碼器。由于大部分射頻識別的標簽部屬于無源裝置，因此標簽通過反向散射將信號傳送回閱讀器時，信號強度很多時會有很大的差異，因為信號強度取決于標簽與閱讀器之間的距離以及信號在這個范圍內所受的干擾。要確保射頻識別閱讀器具有極高的靈敏度，其中的信號路徑必須采用噪音極低的元件。換言之，放大器的輸入噪音必須極低，模擬／數字轉換器的有效位數(ENOB)必須極高，而鎖相環路的抖動(即相位噪音)必須極低。美國國家半導體因應這幾方面的要求，特別為這類信號路徑提供一個理想的低噪音解決方案。以美國國家半導體的LMH6624／LMH6626高速運算放大器為例來說，這兩款放大器的輸入噪音低至只有0．92nV／√Hz，是目前性能最卓越的低噪音放大器。此外，美國國家半導體LMX2531芯片的相位噪音也低于同級產品。

至于更先進精密的射頻識別系統，例如運送昂貴食品或藥物所采用的包裹追蹤系統，便可能需要采用有源的射頻識別標簽(含電池)，因為外在的環境情況如溫度和濕度都必須一一記錄在標簽的存儲器內(即數據登錄)。對于設計標簽的工程師來說，如何延長電池壽命是一項艱巨的工作。其中一個辦法是將核心芯片置于有源標簽之內，而核心芯片會長期處于備用模式之中，以便節省能源，有需要時才將之喚醒，但喚醒電路的功耗必須極低。雖然美國國家半導體并非生產標簽核心芯片的廠商，但我們可為上述喚醒系統提供各種性能卓越的芯片，例如，1uA 以下的LPV511運算放大器及luA以下的LPV7215比較器。

在針對工業系統、汽車電子系統和醫療設備等應用方面，美同國家半導體開發的VIP50工藝是該公司專有的全新絕緣硅(SOI)BiCMOS工藝技術，最適用于生產放大器芯片，目前已有多款采用VIP50工藝技術制造的放大器芯片產品。這種工藝技術有多個優點，比傳統的雙極或CMOS工藝技術優勝。雙極元件內含的都是高速垂直NPN及PNP晶體管。BiCMOS工藝若添加垂直PNP晶體管，便可為放大器加設高度平衡的輸出級，確保放大器可以充分發揮速度／功率比的優勢。

采用VIP50工藝技術制造的電路內部的不同部分都裝設于加設了絕緣硅(S01)的圓片之上，然后以溝道互相隔離。這種隔離設計可將電路內部產生的寄生電容減至最少，使放大器的速度／功率比可以進一步提升至世界級的先進水平。VIP50工藝技術的隔離設計還有另一優點，那就是即使信號電壓高于正極供電電壓及負極輸入電壓，放大器芯片仍可處理相關的信號。此外，由于不會出現漏電情況，因此即使在極高溫度之下操作，也不會對放大器的性能產生任何不利的影響，令這類放大器芯片的應用范圍可以擴大至上業應用及汽車電子系統。

用于高精度系統的集成電路都內置電阻器，這是高精度芯片必須加設的關鍵裝置。VIP50工藝可為這類芯片提供高度準確的低溫度系數薄膜電阻，而且電阻匹配準確度高于許多非內置的高精度雙組裝電阻。VIP50集成電路的準確度叮在圓片階段或封裝之后對薄膜電阻的調整而增強。由于這種工藝最適用于3．3V及5V的供電電壓，因此采用這種工藝制造的放大器芯片不但可以直接連接先進的模擬／數字轉換器，而且在信噪比方面還有極出色的表現。

從技術層面看，不論是大規模的工業自動化設備，還是精密的醫療儀器、機器人、安防設備和POS終端，一個明顯的特點是產品往往不具備很大的批量，而由于要適應快速發展的技術和標準變化，如工業現場總線技術等等，因此對于產品靈活性和可升級要求很高，這種需求為可編程邏輯器件提供了很大的應用空間。黃漢基先生表示：“國內市場對電源供應儀表、工業生產自動化系統及工業控制系統等工業用電子產品一直有強勁的需求，而且．需求更一直穩步上升。這類工業用電子產品大部分都利用FPGA或數字信號處理器執行控制功能。美國國家半導體因應這方面的需求，特別為FPGA及外圍設備電路提供各種全方位的電源管理及信號路徑解決方案。”