快速工业化转型需要可靠的模拟技术

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  随着全球制造业不断向亚太地区转移,在中国大陆一种快速的工业化转型趋势已经非常明显。根据CCID公司的预测,中国大陆对于国际制造业吸引的增长速度虽然在减慢,但整体上说,本地已经形成的制造业无论在规模,还是在质量上已经为全球瞩目。加之以本地消费市场的需求进一步拉动,以及不断方加快的城市化进程,中国大陆的工业化转型正在全面展开。
  快速工业化进程增大了对模拟产品的需求,根据权威机构的统计,亚太地区尤其是中国大陆,已经成为全球对模拟产品需求增长最快的地区。市场分析公司Databeans对全球工业半导体市场的调查报告显示,2004年全球工业半导体市场销售额为200亿美元,该市场中的最大领域是工业控制,约占32%的份额。其它领域还包括测试与测量占23%;军用/航空占11%;医疗占10%;其它产品约占24%。模拟IC在工业半导体中占有最大份额,约为18%,目前市场对于模拟电源和专用元件的需求特别旺盛。
  


  美国国家半导体亚太区电源管理产品市场总监黄汉基先生认为,根据Databeans的市场调查数据显示,工业用模拟芯片产品市场正不断高速增长,其中以模拟电源管理产品的增长为最快。工业产品市场是美国国家半导体极为重视的市场之一,因此我们特别提供各种全方位的电源管理及信号路径解决方案,以满足这个市场的需求。
  工业半导体应用一般主要分布在几个方面,工业过程控制(IPC)、工业自动化、建筑控制、自动售货机(POS)、测试测量、医疗和安防设备等等。对于多数工业应用,一方面需要非常高的精密度,如对微弱信号的检测和处理等等;第二很多场合需要要求极高的省电功能,如需要永久加电的监控设备等等;第三是要需要满足极其严酷的工作条件要求,如极端工作温度变化等等;第四是比较长的产品生命周期。这些要求对于半导体供应商来说需要提供非常可靠的解决方案。
  黄汉基先生认为,工业用模拟集成电路必须性能卓越,才可战胜恶劣的工业环境,执行正常的功能。无论是模拟电源芯片、还是其他产品供应商,第一必须具备可为外围设备电路提供高负载点电流,而且必须有多个电压可供选择。美国国家半导体的LM274x系列同步控制器以及全球最小巧的LM1771同步控制器是这类应用的理想解决方案。第二可为个别的了业系统提供高压供电。美国国家半导体的LM5000系列高压电源管理芯片最适用于高压工业系统。以3阶段的电源供应仪表为例来说,由于LM5000系列芯片具有高电压及高效率的优点,因此获得许多厂商的青睐,令这系列芯片广泛用于这类仪表之中。第三可为多种不同工业系统提供隔离式的电源转换。美国国家半导体的LM5000系列芯片可以精简现有系统的设计,以及削减系统成本。
  在准确度方面,尤其适用于很多人都熟悉的超高频射频识别(UHFRFID)读码器。由于大部分射频识别的标签部属于无源装置,因此标签通过反向散射将信号传送回阅读器时,信号强度很多时会有很大的差异,因为信号强度取决于标签与阅读器之间的距离以及信号在这个范围内所受的干扰。要确保射频识别阅读器具有极高的灵敏度,其中的信号路径必须采用噪音极低的元件。换言之,放大器的输入噪音必须极低,模拟/数字转换器的有效位数(ENOB)必须极高,而锁相环路的抖动(即相位噪音)必须极低。美国国家半导体因应这几方面的要求,特别为这类信号路径提供一个理想的低噪音解决方案。以美国国家半导体的LMH6624/LMH6626高速运算放大器为例来说,这两款放大器的输入噪音低至只有0.92nV/√Hz,是目前性能最卓越的低噪音放大器。此外,美国国家半导体LMX2531芯片的相位噪音也低于同级产品。
  至于更先进精密的射频识别系统,例如运送昂贵食品或药物所采用的包裹追踪系统,便可能需要采用有源的射频识别标签(含电池),因为外在的环境情况如温度和湿度都必须一一记录在标签的存储器内(即数据登录)。对于设计标签的工程师来说,如何延长电池寿命是一项艰巨的工作。其中一个办法是将核心芯片置于有源标签之内,而核心芯片会长期处于备用模式之中,以便节省能源,有需要时才将之唤醒,但唤醒电路的功耗必须极低。虽然美国国家半导体并非生产标签核心芯片的厂商,但我们可为上述唤醒系统提供各种性能卓越的芯片,例如,1uA 以下的LPV511运算放大器及luA以下的LPV7215比较器。
  在针对工业系统、汽车电子系统和医疗设备等应用方面,美同国家半导体开发的VIP50工艺是该公司专有的全新绝缘硅(SOI)BiCMOS工艺技术,最适用于生产放大器芯片,目前已有多款采用VIP50工艺技术制造的放大器芯片产品。这种工艺技术有多个优点,比传统的双极或CMOS工艺技术优胜。双极元件内含的都是高速垂直NPN及PNP晶体管。BiCMOS工艺若添加垂直PNP晶体管,便可为放大器加设高度平衡的输出级,确保放大器可以充分发挥速度/功率比的优势。
  采用VIP50工艺技术制造的电路内部的不同部分都装设于加设了绝缘硅(S01)的圆片之上,然后以沟道互相隔离。这种隔离设计可将电路内部产生的寄生电容减至最少,使放大器的速度/功率比可以进一步提升至世界级的先进水平。VIP50工艺技术的隔离设计还有另一优点,那就是即使信号电压高于正极供电电压及负极输入电压,放大器芯片仍可处理相关的信号。此外,由于不会出现漏电情况,因此即使在极高温度之下操作,也不会对放大器的性能产生任何不利的影响,令这类放大器芯片的应用范围可以扩大至上业应用及汽车电子系统。
  用于高精度系统的集成电路都内置电阻器,这是高精度芯片必须加设的关键装置。VIP50工艺可为这类芯片提供高度准确的低温度系数薄膜电阻,而且电阻匹配准确度高于许多非内置的高精度双组装电阻。VIP50集成电路的准确度叮在圆片阶段或封装之后对薄膜电阻的调整而增强。由于这种工艺最适用于3.3V及5V的供电电压,因此采用这种工艺制造的放大器芯片不但可以直接连接先进的模拟/数字转换器,而且在信噪比方面还有极出色的表现。
  从技术层面看,不论是大规模的工业自动化设备,还是精密的医疗仪器、机器人、安防设备和POS终端,一个明显的特点是产品往往不具备很大的批量,而由于要适应快速发展的技术和标准变化,如工业现场总线技术等等,因此对于产品灵活性和可升级要求很高,这种需求为可编程逻辑器件提供了很大的应用空间。黄汉基先生表示:“国内市场对电源供应仪表、工业生产自动化系统及工业控制系统等工业用电子产品一直有强劲的需求,而且.需求更一直稳步上升。这类工业用电子产品大部分都利用FPGA或数字信号处理器执行控制功能。美国国家半导体因应这方面的需求,特别为FPGA及外围设备电路提供各种全方位的电源管理及信号路径解决方案。”
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