傳統(tǒng)上，模擬IC設(shè)計(jì)工程師都是通過提升電源電壓和工作電流來提高設(shè)備的運(yùn)行速度和動(dòng)態(tài)范圍，但在能源效率意識(shí)愈強(qiáng)的今天這一方法已很難達(dá)到最佳的效果�，F(xiàn)今，設(shè)計(jì)者不僅追求更高的工作頻率、可用帶寬、噪聲性能和動(dòng)態(tài)范圍，還要同時(shí)保證設(shè)備的功耗不變甚至更低。
美國國家半導(dǎo)體公司的PowerWise產(chǎn)品采用創(chuàng)新的架構(gòu)和領(lǐng)先的制作工藝，不但性能強(qiáng)勁而且功耗極低。本文將通過采用圖1中的參考設(shè)計(jì)平臺(tái)來展示如何利用高能源效率的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、全差分放大器和時(shí)鐘調(diào)整電路來開發(fā)一個(gè)完整的模擬系統(tǒng)。首先，我們先從PowerWise 品牌背后的技術(shù)內(nèi)涵談起。
圖1. 完整的參考設(shè)計(jì)電路板，當(dāng)中包含有ADC、全差分放大器和時(shí)鐘調(diào)整器電路。
為特定組件度身訂造的工藝技術(shù)
用來開發(fā)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的工藝技術(shù)并不一定適合用來開發(fā)高頻的低噪聲放大器。事實(shí)上，半導(dǎo)體公司一般都會(huì)使用幾種不同的工藝技術(shù)，例如CMOS、BiCMOS和SiGe等。而使用哪一種工藝則取決于組件的要求。如果沒有優(yōu)秀的工藝技術(shù)相配合，再完美的電路設(shè)計(jì)也是有缺憾的。
不同于其他大多數(shù)的半導(dǎo)體供應(yīng)商，美國國家半導(dǎo)體采用純CMOS技術(shù)去設(shè)計(jì)大部分最新的ADC。今天，CMOS技術(shù)可謂無處不在，原因是CMOS的邏輯門沒有任何的靜態(tài)功耗，但擁有較高的驅(qū)動(dòng)電流和速度�？紤]到ADC內(nèi)包含有大量的數(shù)字電路，因此用純CMOS技術(shù)去實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)便可實(shí)現(xiàn)比BiCMOS更低的功耗。數(shù)字CMOS門電路在直流模式下不會(huì)消耗電流，但雙極的門電路即使在直流模式下都需消耗電流，因?yàn)殡娐沸枰秒娏鱽砭S持性能參數(shù)。結(jié)果，芯片中的數(shù)字部份會(huì)消耗較多的電流，從而提高整體的功耗。
美國國家半導(dǎo)體特別開發(fā)出VIP 10工藝來配合放大器電路的設(shè)計(jì)。VIP 10是一種高速、介質(zhì)隔離的互補(bǔ)雙極電路工藝，它在一片鍵合晶圓(bonded wafer)上采用深槽技術(shù)實(shí)現(xiàn)完全的介質(zhì)隔離以及優(yōu)化的高速放大器性能。鍵合晶圓采用的深槽技術(shù)可盡量降低寄生電容，優(yōu)化功率/帶寬性能、降低失真并使裸片的體積更小。采用高性能NPN和PNP晶體管的互補(bǔ)雙極晶體管設(shè)計(jì)可以為現(xiàn)今的高速放大器帶來最優(yōu)的性能組合，包括高帶寬、低功耗、低電源電壓、大輸出擺幅、高輸出電流和低失真。對(duì)于雙極晶體管來說，最常用的AC品質(zhì)因素是過渡頻率(FT)，在這頻率下共發(fā)射極電流增益下降到單位級(jí)。在VCE=5V下，VIP 10 NPN和PNP的FT分別為9GHz和8GHz，大約比同類競爭的工藝高出50%。晶體管的高FT意味著在既定工作點(diǎn)下其發(fā)射極-基極擴(kuò)散電容值會(huì)很低。配合VIP 10晶體管，美國國家半導(dǎo)體可以設(shè)計(jì)出帶寬超過1GHz 或帶寬在100MHz 范圍以內(nèi)的放大器，而且其功耗可以非常低。因?yàn)閿U(kuò)散和寄生電容同時(shí)被大幅削減后，內(nèi)部級(jí)在很低的工作電流下也會(huì)出現(xiàn)低相位位移。對(duì)于某些雙極工藝來說，F(xiàn)T可以在較低電壓下大幅地下降，但若采用VIP 10工藝，那即使Vce=1V，F(xiàn)T都可維持在高水平：NPN可達(dá)7GHz而PNP可達(dá)5GHz。下面的公式1表示出一個(gè)雙極晶體管的過渡頻率是如何計(jì)算出來。
其中：
k是玻爾滋曼常數(shù)、T是絕對(duì)溫度、Cte 是發(fā)射極電容、q是電子的單位電荷、IC 是集電極電流、WB是基帶帶寬、μB是電子移動(dòng)性、rcs是集電極電阻、Ccb 是集電極電容、Xs 是集電極空間電荷區(qū)的寬度，而vx則是集電極空間電荷區(qū)的飽和速度。
創(chuàng)新的技術(shù)
上文中我們已探討過IC設(shè)計(jì)者通曉了最優(yōu)的電路設(shè)計(jì)方法、專利架構(gòu)和尖端的工藝技術(shù)就基本掌控了到業(yè)內(nèi)最先進(jìn)的技術(shù)，從而能夠在競爭激烈的市場(chǎng)中開發(fā)出與眾不同的產(chǎn)品。要進(jìn)一步鞏固競爭優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)者還必須緊隨業(yè)內(nèi)發(fā)展的潮流，諸如美國國家半導(dǎo)體的PowerWise等創(chuàng)新技術(shù)。PowerWise技術(shù)可以使數(shù)字處理器(例如DSP或FPGA)中的DSP或FPGA功耗降低70%。
PowerWise采用自適應(yīng)電壓調(diào)整(AVS)和閾值調(diào)整技術(shù)可以在維持系統(tǒng)最低開銷的情況下自動(dòng)將數(shù)字邏輯電路中的工作電路和漏電功耗減到最低。PowerWise技術(shù)在業(yè)內(nèi)是獨(dú)一無二的，它是唯一一種可供所有電路開發(fā)商使用的先進(jìn)系統(tǒng)級(jí)能源管理方案，不但內(nèi)容完備而且還可提供詳細(xì)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)信息。通過使用簡單的標(biāo)準(zhǔn)硬件接口，加上業(yè)內(nèi)知名合作伙伴ARM、TSMC、UMC、Synopsys等支持，這項(xiàng)技術(shù)可應(yīng)用到任何CMOS工藝，而且設(shè)計(jì)工具和流程都已標(biāo)準(zhǔn)化，可配合任何的操作系統(tǒng)或應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的能源效率。
建立一個(gè)完整的模擬系統(tǒng)
設(shè)計(jì)參考可以為設(shè)計(jì)工程師提供了設(shè)計(jì)模版，其重要性不言而喻。特別是要求在不增加功耗的前提下提升系統(tǒng)性能時(shí)，設(shè)計(jì)參考就顯得更為重要了。大多數(shù)棘手的設(shè)計(jì)問題，例如選擇正確的組件、組件布置、系統(tǒng)布局和布線等，都可在這些設(shè)計(jì)參考中找到答案�；诜⻊�(wù)客戶創(chuàng)建的高性能模擬系統(tǒng)的知識(shí)積累，美國國家半導(dǎo)體建立起了一個(gè)匯聚杰作的設(shè)計(jì)參考庫。以最新加入?yún)⒖紟斓腁DC14DS105KARB參考設(shè)計(jì)為例，它采用了最新的PowerWise 家族LMH6552 1.5GHz差分驅(qū)動(dòng)器作為信號(hào)鏈的一部份。該組件與高速的ADC14DS105數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和定時(shí)方案結(jié)合在一起，為測(cè)量儀表的設(shè)計(jì)者提供一個(gè)良好的參考工具。
ADC14DS105KARB接收器參考設(shè)計(jì)板
ADC14DS105KARB是一個(gè)近零中頻接收器參考設(shè)計(jì)板，它所使用的組件如下：兩個(gè)LMH6552 1.5GHz 帶寬差分電流反饋放大器；ADC14DS105 帶有LVDS輸出的14位、1GHz、雙路、105MSPS模/數(shù)轉(zhuǎn)換器；LMK02000低抖動(dòng)精密時(shí)鐘調(diào)整器，它帶有一個(gè)可在100Hz到20MHz帶寬范圍內(nèi)提供128fs抖動(dòng)的集成鎖相環(huán)路(PLL)；數(shù)個(gè)高能源效率的電源管理電路。
ADC14DS105KARB (其框圖見圖2)是一塊中頻接收器子系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)板，它采用一對(duì)LMH6552差分驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)雙路ADC，可以立即測(cè)試適用于直流電至40MHz信號(hào)頻率的正交直接轉(zhuǎn)換或近零中頻接收器。這個(gè)接收器架構(gòu)現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用到WiMAX 和WCDMA接收器系統(tǒng)。
圖2. 參考設(shè)計(jì)板的框圖。
