系統整合是電子市場未來成功的關鍵，其主要目標包括縮小產品體積、增加產品功能、減少耗電並降低成本。未來的整合式解決方案是由今日的離散解決方案發展而成。製造商正利用各種製程技術提供整合度更高的產品來帶動市場成長，這些產品不但效能更強大，體積也更小、耗電更少、成本更低且可靠性更高。

這些挑戰對於測試、量測以及醫療影像應用來說特別難以克服，因為它們都處於技術發展的最前端，需要最快速和最高解析度的電子元件來設計獨特不同的未來產品。數位電子的進步正在推動這項革命，但類比電子的發展也同樣重要。

在測試、量測以及醫療影像應用領域，數位電子通常是在軟體和軔體控制下執行各種複雜功能。數位是二元世界，這表示訊號只能處於「開或關」、「真或假」或是「0或1」等兩種狀態之一。

而光與聲音等真實世界訊號都是連續訊號，因此需要類比訊號處理技術才能應付真實世界的需求。感測器訊號取樣和換能器（DataBean）驅動也需靠類比電子技術才能實現。

數位類比轉換器（DAC）和類比數位轉換器（ADC）等混合訊號產品可做為類比和數位之間的橋樑。但就算它們將數位與類比橋接在一起，這些元件仍算是類比產品。本文將介紹測試、量測以及醫療影像的多種應用實例，同時討論未來的發展趨勢。

醫療影像：超音波

(圖一)是超音波通道的方塊圖（傳送器部份並未詳細繪出）。接收器和傳送器通常會共用一個換能器（Data Bean）。傳送器會將高振幅的脈衝送到換能器，接著將開關設為接收器輸入以便偵測從病患反射回來的訊號或回波。

圖一中包含箝位功能，用以避免傳送器的高振幅訊號導致接收器飽和。低雜訊放大器則會放大回波訊號並設定接收器的雜訊指數。

訊號越深入人體組織，衰減幅度就越大，故回波訊號的放大增益必須隨時間而增加，這樣才能確保其強度在類比數位轉換器所能接受的範圍內。為了達到這項要求，低雜訊放大器的後面還必須連接時間增益放大器（time-gain amplifier），其增益值會經過特別設定以補償訊號的衰減。

訊號接著會由低通濾波器將其濾波成為有限頻寬訊號，這能減少通道內雜訊並消除疊頻失真（anti-alias）。由於多數高速、高精準度類比數位轉換器都採用差動輸入，因此訊號接著會從單端轉換為差動，然後再轉換成數位以便在數位域執行進一步處理。

超音波束需要多個通道來產生影像。現有高效能系統使用超過128個通道，而新一代系統的通道數目還在不斷增加，最多可達到1024個通道。

《圖一　超音波接收機方塊圖》

超音波的未來趨勢

為了降低超音波設備的成本並提高效能，必須整合許多功能。功能整合的第一步通常是把多個組件整合至同一封裝，並藉助先進架構來提高效能。因此與其使用多個單通道組件來發展多通道系統，還不如使用多通道組件更能夠縮小體積、減少耗電、降低成本並提高可靠性。

(圖二)說明了如何將多個放大器和類比數位轉換器封裝在一起。這些元件可用來設計上述的大多數類比訊號調節功能。圖二中之元件包含雙通道低雜訊放大器和低雜訊可變增益放大器，功能方塊如圖所示，其功能升級元件之輸入端能承受-2.0V的負電壓輸入尖波，這使得低雜訊前置放大器的前面可使用速度較慢且成本較低的輸入箝位二極體。某些設計甚至不需要輸入箝位。

此種元件還將主動終端整合成架構的一部份。主動終端可降低輸入阻抗，不但雜訊指數比傳統的並聯終端方式（shunt termination）改善最多4.6dB，還能調整終端阻抗值來配合不同的訊號源。主動終端與最大增益選擇功能（MGS）的結合可以提供理想的雜訊效能。

這些低雜訊前置放大器都具備差動輸入與輸出能力，增益值也可設為5dB、17dB、22dB或25dB。低雜訊前置放大器的輸出還能提供給外部訊號處理功能使用，例如低通濾波。

可變增益功能由類比電壓控制，其增益值可在0dB與最大增益選擇暫存器所設定的增益值之間改變。使用者還能對可變增益值進行程式設定以便提供理想的動態範圍。壓控衰減器（VCA）的輸入可隨應用的不同而從低雜訊前置放大器切換到外部電路。低雜訊、增益和增益範圍的可程式能力使此種元件成為一種多用途的功能建構方塊，非常適合許多需要強大雜訊效能的應用。

《圖二　功能方塊圖（2選1通道）》

另外，12位元、50MSPS的8通道並列式類比數位轉換器，則可於20MHz速率下提供70.5dBFS（典型）訊號雜波比和82dBc（典型）無混附訊號動態範圍（SFDR）。這種元件的功能方塊圖如(圖三)所示。其3.3V之CMOS將耗電減少至957mW的極低水準，這能讓系統整合密度提升。序列式LVDS輸出則能減少界面線路數目和封裝體積，進一步提高功能整合度。

若採用散熱加強型PowerPAD TQFP-80封裝，則可更節省元件空間。儘管可由內部或外部參考電壓驅動，但內部參考電壓模式才能提供最佳效能和最簡單的系統設計。此元件要求高通道數目，故此系列元件未來將以增加取樣速率為主，使應用設計能透過超取樣來減少類比濾波要求。

《圖三　8通道並列式類比數位轉換器功能方塊圖》

測試與量測：接腳電路

自動測試與量測設備可用來測試通訊系統、電腦、工業系統和許多其它最終應用的半導體元件，像是類比、數位、混合訊號、邏輯和記憶體。為了測試這些元件，測試設備會產生訊號激勵受測元件，然後測量它們的響應。做為此用途的電路通常稱為「接腳電路」（pin electronics），它多半包含下列功能：

接著將介紹實現這些功能所需之零件，(圖四)為其功能方塊圖。

數位類比轉換器

數位類比轉換器可產生類比訊號來驅動受測裝置並提供給其它功能使用，例如設定窗形比較器（window comparator）、參數測量單元（PMU）和主動負載的電壓位準等。12或13位元解析度目前雖較常見，未來產品卻需要更高的解析度。由於可程式訊號和電壓位準的數目眾多，因此也需要多個數位類比轉換器才能實現完整的測試解決方案。

驅動器

為了正確測試某些裝置，需要驅動放大器來產生適當的電壓位準。驅動放大器須能提供受測裝置要求的電壓和驅動能力，驅動器還須提供三態輸出以避免影響受測裝置傳回訊號的測量。

窗形比較器

窗形比較器可用於成功/失敗測試（pass-fail testing）。記憶體測試就是很好的應用實例，它會將測試資料寫入受測裝置然後再讀回。

參數測量單元

參數測量單元提供強制電壓、強制電流、測量電壓和測量電流等功能。它可用於連續性測試、供應電壓、輸入電流和漏電流測量等。其功能組合方式包括：

主動負載

主動負載主要做為受測裝置的負載，其供應電流和汲入電流都可透過數位類比轉換器的輸入進行程式設定。

溫度感測器

溫度感測器也包含在內，用來提供溫度資訊。

《圖四　接腳電路的功能方塊圖》

接腳電路的未來趨勢

接腳電路迄今仍需要差異極大的架構來執行它們的功能：高速電路需要一種技術，精準直流電路則需要另一種技術，數位類比轉換器等混合訊號功能又需要另一種不同的技術。

某些功能雖已整合在一起，相關元件也已上市，但多數解決方案仍需要二或三顆晶片才能發展出功能完整的測試頭（test head）。為了降低成本、提高功能接腳的能力並讓同樣大小的測試頭提供更多接腳，因此必須整合多種功能、減少外部零件、並發展更先進的架構。(圖五)是本文所建議的接腳電路元件，它可將前述功能全部整合至一顆晶片。

這類晶片未來將會用於減少測試解決方案的體積和成本。這不但能降低受測元件的製造成本，還可以其低複雜性進而提高受測元件的可靠性。

《圖五　整合式接腳電路》

實現更高整合度的製程技術

CBC-10、C05、BiCom 2和BiCom 3等四種製程技術可提供測試與量測以及醫療影像應用更高的功能整合度。

CBC-10

CBC-10製程這種10V互補雙極電晶體類比製程還包含製造數位功能所需的CMOS製程。CBC是雙極電晶體特徵尺寸僅1μm（繪製線寬）和CMOS電路密度0.8μm的先進製程，不僅能製造截止頻率高達10GHz和7GHz的NPN和PNP電晶體，還可提供80V的典型爾利電壓（Early voltage）。除了核心互補高速雙極元件外，它還能透過模組化方式增加蕭特基二極體、JFET電晶體、高效能被動元件、和次微米CMOS等可供選用的模組。

這項製程提供高品質且低雜訊的JFET電晶體，可用來實現高阻抗輸入級。它還能製造可微調式薄膜電阻和高精準度電容，不但能將寄生參數效應減至最少，還具備良好的線性特性和追蹤能力。精確電阻和電容的線性程度可達到每伏特誤差僅數個ppm，例如精準電容的線性程度可達5ppm/V，電壓係數則為10到50ppm/V，這能大幅減少雜訊和失真現象。

此製程還能為高密度CMOS電路提供額外的隔離保護，像是提供單獨的區域來容納可與其它部份隔離的電路。這對於混合訊號設計極為重要，因為它能將類比電路的串訊減至最少並改善它們的精準度與速度，使類比電路的精準度更高、增益更大和速度更快。總而言之，CBC-10製程可用來實作數位控制、黏接邏輯以及微處理器與DSP界面。除了±5V高效能類比與混合訊號電路外，CBC還能製造0至5V的CMOS界面。

CBC-10是一種高速類比製程，可用來生產具有3.9GHz增益頻寬、0.85nV/√Hz低輸入雜訊、950V/μs高電壓迴轉率，和-105dBc（5MHz）低失真的運算放大器。CBC-10整合了類比能力與CMOS數位功能，使其得以實現更高功能整合度。

C05

C05數位製程是於90年代末期開發，專用於生產先進DSP晶片的製程。C05是一種成熟的數位製程，其類比功能已在許多產品中獲得進一步的運用。

C05是一種0.18微米的CMOS製程，能用來製造傳輸時間快速的電晶體。它使用先進的金屬系統來減少接面電容和電晶體周圍的寄生元件，因此最適合高速混合訊號設計。

C05製程也包含隔離式NMOS，它能減少數位開關對於敏感類比電路的干擾，還可以降低多通道元件的通道間串訊現象。另外，利用智慧型架構和電路技術來充份發揮高截止頻率電晶體的優勢，還能設計出速度快且效能高的類比數位轉換器。

BiCom 2

BiCom 2製程是一種使用介電隔離層來減少電晶體寄生接面電容的15V互補雙極電晶體技術，其中NPN電晶體的傳輸速率可達5GHz，PNP則為4GHz，這使它們成為非常快速的高效能類比電晶體。這種技術可承受更高的電壓，因此適合需要較高電壓的接腳電路。

BiCom 2還包含高效能的5V次微米數位CMOS製程，它能在晶片上製造由數千個邏輯閘組成的邏輯功能。這些晶片內建CMOS邏輯功能所需的晶片面積比雙極邏輯更少、實作成本更低且耗電更少。因此利用BiCom 2製程生產的元件不僅能支援晶片內建CMOS邏輯功能，邏輯閘密度還能達到傳統互補雙極製程的20倍。這種製程可將各種標準數位功能與類比方塊整合在一起，並且允許設計人員使用標準的數位設計工具。

BiCom 2製程匯集多種基礎製程技術的優點，適合接腳電路應用。BiCom 2是互補雙極和CMOS製程的結合，它能像雙極電晶體一樣提供電流增益與爾利電壓乘積（beta-early voltage product），故可用來製造簡單和高效能的電路。BiCom 2的15V互補雙極製程可提供極為快速的電晶體給運算放大器使用，這正是許多類比功能的主要建構方塊。CMOS製程提供的5V類比電晶體則讓設計更有彈性。這些優點不僅簡化應用發展，還能更快提供整合度更高的接腳電路產品以滿足市場需求。

BiCom 3

BiCom 3是專為超高精準度類比元件所發展的一種矽鍺（SiGe）製程，也是以介電隔離式矽晶片為基礎並將鍺加入電晶體基極區的製程技術。將鍺摻雜至基極可以大幅提高電荷載體的移動性，同時提供極端快速的暫態時間。這種製程可以製造出真正的互補雙極NPN和PNP電晶體；其轉換頻率（transit frequency；fT）可達到18GHz，最大頻率（fmax）則為40～60GHz。這個製程的速度可達到先前製程的三倍。

BiCom 3製程和BiCom 2一樣都包含高密度的次微米CMOS邏輯，以及完整的數位元件庫，這使高效能類比和複雜數位功能可以整合在一起。5V高速電晶體則讓這項製程適合快閃記憶體等低電壓元件測試所需的接腳電路。

全面整合：系統單晶片

製造商已能將非常複雜且高密度的數位功能整合至類比製程。更準確的說法是，這些製造商已能利用成熟的數位製程發展類比功能，迄今並已推出許多高效能系統單晶片。但儘管如此，最先進且最高效能的數位與類比元件目前仍需使用不同的製程來發展，而這種現象在短期內並不太可能改變。

把數位和類比功能整合至同一顆晶片是極為困難的挑戰。高效能數位邏輯會產生雜訊並導致類比功能的訊號雜波下降，因此將高速數位和類比功能放到同一張電路板上需要非常傑出的工程技巧，有時甚至比晶片級整合還要困難。

先進類比電壓最近雖已成功地從12V減為5V和3.3V，但仍很難降到今日的數位核心電壓水準。這是因為雜訊並不會隨著操作電壓的降低而減少，反而會大致保持不變。因此為了提供良好的訊號雜波比，類比操作電壓必須保持一定水準。較低的電壓並不能提供高動態範圍類比訊號所要求的效能空間。

先進的數位製程並不包含高效能類比零件，它們的製程特徵尺寸與先進類比製程也有很大不同。類比製程的起點是穩定的數位製程，因此會把數位製程電晶體所能提供的任何線性功能當成晶片內建的類比功能使用。但就算如此，任何新製程的初期發展重點仍在於數位功能，模擬功能則僅限於不需要額外製程步驟或修改的部份。等到製程成熟並成功製造出最新一代的高速邏輯產品後，數位製程設計人員即可開始發展下一代的製程技術，類比元件設計人員則會在這個製程上開發更強大的類比功能。類比元件的開發與改善都需要時間，因此高效能類比製程通常會在基礎數位製程量產後好幾年才推出。

結語

競爭激烈的未來市場需要新製程技術來推動高效能類比零件的整合，這樣才能滿足測試、量測以及醫療影像設備的嚴苛要求。功能整合加上架構進步和創新的設計解決方案可以減少成本、降低耗電、縮小體積並提高可靠性，同時讓未來的設備更為輕巧。

現有技術的功能整合度雖遠超過從前，但要將最尖端的數位功能和先進類比功能整合至同一顆晶片仍需等到未來才能實現。當這個目標達成後，下一步就是以最符合成本效益的方式將這些技術提供給客戶。

（作者任職於TI德州儀器）

延 伸 閱 讀	高速類比－數位轉換器（ADC）的效能特性大幅影響著完整訊號處理鏈的設計，系統設計者所考量ADC所造成的衝擊，不只在基頻上，更必須延伸到射頻（RF）及數位電路。相關介紹請見「高速類比數位轉換器的設計考量」一文。 被動元件產業景氣大約五年循環一次，上次景氣高峰約在2000年下半年，以過去其產業景氣循環經驗推估，此次被動元件產業景氣谷底期約在2003年下半年，而在主機板、筆記型電腦、可攜式產品等換機帶動下，在2006年將會達到此波被動元件產業景氣高峰。你可在「被動元件產品及技術發展趨勢」一文中得到進一步的介紹。 類比晶片可以將我們的感官所能處理的訊號轉換成二位元脈衝，或是將二位元脈衝再轉換回來；藉由這種方式，它們得以將數位邏輯連接到「真實的」世界。沒有這些類比功能，就不會有任何數位設備，更別說網際網路或其它的數位通訊服務。在「先進類比製程提供關鍵系統技術」一文為你做了相關的評析。

市場動態

快捷（Fairchild）宣佈新增三組類比產品開發團隊，共約25位人員，目的為支援公司功率類比業務之發展。新增的小組將為快捷半導體帶來合計約為479年的豐富類比設計經驗，而這些團隊都將專注於開發用於DC到DC和AC到DC功率管理應用的下一代類比IC解決方案。 相關介紹請見「快捷新增類比產品開發團隊提升數億營收」一文。 NS提供完整類比解決方案服務，以全方位訊號路徑的概念發展 新的應用領域，讓客戶能以較有競爭力的成本開發更有效能的產品，並持續耕耘行動電話、 顯示器及其它市場，持續開發大眾及新興市場包括醫療、汽車及工業市場等。你可在「NS專注類比技術以快速滿足市場需求」一文中得到進一步的介紹。 市場研究機構Databeans表示， 2005年全球類比晶片市場表現平平，佔半導體業整體營收14％。此外，前十大類比晶片廠掌控了大約三分之二的市場，前五大廠總市佔率更高達將近50％。根據該機構統計，全球前五大類比晶片業者依次為TI、ST、Infineon、Philips和ADI。在「2005年全球類比晶片廠排行德儀居首」一文為你做了相關的評析。