模拟IC与数字IC的四大差异性
mouser 2021-11-23

IC就是半导体元件产品的统称,IC按功能可分为:数字IC、模拟IC、微波IC及其他IC。

数字IC就是传递、加工、处理数字信号的IC,是近年来应用最广、发展最快的IC品种,可分为通用数字IC和专用数字IC。

模拟IC则是处理连续性的光、声音、速度、温度等自然模拟信号的IC,模拟IC按应用来分可分为标准型模拟IC和特殊应用型模拟IC。

如果按技术来分的话,模拟IC可分为只处理模拟信号的线性IC和同时处理模拟与数字信号的混合IC。

标准型模拟IC包括放大器,电压调节与参考对比,信号界面,数据转换,比较器等产品;特殊应用型模拟IC主要应用在通信、汽车、电脑周边和消费类电子等四个领域。

简单总结一下二者的区别:数字电路IC就是处理数字信号的器件,比如CPU、逻辑电路等。

而模拟电路IC是处理和提供模拟信号的器件,比如运算放大器、线性稳压器、基准电压源等,它们都属于模拟IC。模拟IC处理的信号都具有连续性,可以转换为正弦波研究,而数字IC处理的是非连续性信号,都是脉冲方波。

不同数字器件有不同的制程,所以需要不同的供电电压,因此更需要电源管理这一模拟技术。随着数字技术的发展,模拟技术分布于数字技术周边,与数字技术密不可分,数字技术与模拟技术比较如下:

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下面我们从模拟IC的四大特点来说明模拟IC与数字IC的差异性:

01、生命周期可长达10年

数字IC强调的是运算速度与成本比,数字IC设计的目标是在尽量低的成本下达到目标运算速度。

设计者必须不断采用更高效率的算法来处理数字信号,或者利用新工艺提高集成度降低成本。因此数字IC的生命周期很短,大约为1年-2年。

模拟IC强调的是高信噪比、低失真、低耗电、高可靠性和稳定性。

产品一旦达到设计目标就具备长久的生命力,生命周期长达10年以上的模拟IC产品也不在少数。

如音频运算放大器NE5532,自上世纪70年代末推出直到现在还是最常用的音频放大IC之一,几乎50%的多媒体音箱都采用了NE5532,其生命周期超过25年。

因为生命周期长,所以模拟IC的价格通常偏低。

02、工艺特殊少用CMOS工艺

数字IC多采用CMOS工艺,而模拟IC很少采用CMOS工艺。

因为模拟IC通常要输出高电压或者大电流来驱动其他元件,而CMOS工艺的驱动能力很差。

此外,模拟IC最关键的是低失真和高信噪比,这两者都是在高电压下比较容易做到的。而CMOS工艺主要用在5V以下的低电压环境,并且持续朝低电压方向发展。

因此,模拟IC早期使用Bipolar工艺,但是Bipolar工艺功耗大,因此又出现BiCMOS工艺,结合了Bipolar工艺和CMOS工艺两者的优点。

另外还有CD工艺,将CMOS工艺和DMOS工艺结合在一起。而BCD工艺则是结合了Bipolar、CMOS、DMOS三种工艺的优点。

在高频领域还有SiGe和GaAS工艺。这些特殊工艺需要晶圆代工厂的配合,同时也需要设计者加以熟悉,而数字IC设计者基本上不用考虑工艺问题。

03、与元器件关系紧密

模拟IC在整个线性工作区内需要具备良好的电流放大特性、小电流特性、频率特性等;在设计中因技术特性的需要,常常需要考虑元器件布局的对称结构和元器件参数的彼此匹配形式;

模拟IC还必须具备低噪音和低失真性能。电阻、电容、电感都会产生噪音或失真,设计者必须考虑到这些元器件的影响。

对于数字电路来说是没有噪音和失真的,数字电路设计者完全不用考虑这些因素。

此外由于工艺技术的限制,模拟电路设计时应尽量少用或不用电阻和电容,特别是高阻值电阻和大容量电容,只有这样才能提高集成度和降低成本。

某些射频IC在电路板的布局也必须考虑在内,而这些是数字IC设计所不用考虑的。因此模拟IC的设计者必须熟悉几乎所有的电子元器件。

04、辅助工具少测试周期长

模拟IC设计者既需要全面的知识,也需要长时间经验的积累。模拟IC设计者需要熟悉IC和晶圆制造工艺与流程,需要熟悉大部分元器件的电特性和物理特性。

通常很少有设计师熟悉IC和晶圆的制造工艺与流程。而在经验方面,模拟IC设计师需要至少3年-5年的经验,优秀的模拟IC设计师需要10年甚至更长时间的经验。

模拟IC设计的辅助工具少,其可以借助的EDA工具远不如数字IC设计多。由于模拟IC功耗大,牵涉的因素多,而模拟IC又必须保持高度稳定性,因此认证周期长。此外,模拟IC测试周期长且复杂。

某些模拟IC产品需要采用特殊工艺和封装,必须与晶圆厂联合开发工艺,如BCD工艺和30V高压工艺。此外,有些产品需要采用WCPS晶圆级封装。 

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