系统整合是电子市场未来成功的关键，其主要目标包括缩小产品体积、增加产品功能、减少耗电并降低成本。未来的整合式解决方案是由今日的离散解决方案发展而成。制造商正利用各种制程技术提供整合度更高的产品来带动市场成长，这些产品不但效能更强大，体积也更小、耗电更少、成本更低且可靠性更高。

这些挑战对于测试、量测以及医疗影像应用来说特别难以克服，因为它们都处于技术发展的最前端，需要最快速和最高解析度的电子元件来设计独特不同的未来产品。数位电子的进步正在推动这项革命，但类比电子的发展也同样重要。

在测试、量测以及医疗影像应用领域，数位电子通常是在软体和轫体控制下执行各种复杂功能。数位是二元世界，这表示讯号只能处于「开或关」、「真或假」或是「0或1」等两种状态之一。

而光与声音等真实世界讯号都是连续讯号，因此需要类比讯号处理技术才能应付真实世界的需求。感测器讯号取样和换能器（DataBean）驱动也需靠类比电子技术才能实现。

数位类比转换器（DAC）和类比数位转换器（ADC）等混合讯号产品可做为类比和数位之间的桥梁。但就算它们将数位与类比桥接在一起，这些元件仍算是类比产品。本文将介绍测试、量测以及医疗影像的多种应用实例，同时讨论未来的发展趋势。

医疗影像：超音波

(图一)是超音波通道的方块图（传送器部份并未详细绘出）。接收器和传送器通常会共用一个换能器（Data Bean）。传送器会将高振幅的脉冲送到换能器，接着将开关设为接收器输入以便侦测从病患反射回来的讯号或回波。

图一中包含钳位功能，用以避免传送器的高振幅讯号导致接收器饱和。低杂讯放大器则会放大回波讯号并设定接收器的杂讯指数。

讯号越深入人体组织，衰减幅度就越大，故回波讯号的放大增益必须随时间而增加，这样才能确保其强度在类比数位转换器所能接受的范围内。为了达到这项要求，低杂讯放大器的后面还必须连接时间增益放大器（time-gain amplifier），其增益值会经过特别设定以补偿讯号的衰减。

讯号接着会由低通滤波器将其滤波成为有限频宽讯号，这能减少通道内杂讯并消除叠频失真（anti-alias）。由于多数高速、高精准度类比数位转换器都采用差动输入，因此讯号接着会从单端转换为差动，然后再转换成数位以便在数位域执行进一步处理。

超音波束需要多个通道来产生影像。现有高效能系统使用超过128个通道，而新一代系统的通道数目还在不断增加，最多可达到1024个通道。

《图一 超音波接收机方块图》

超音波的未来趋势

为了降低超音波设备的成本并提高效能，必须整合许多功能。功能整合的第一步通常是把多个组件整合至同一封装，并借助先进架构来提高效能。因此与其使用多个单通道组件来发展多通道系统，还不如使用多通道组件更能够缩小体积、减少耗电、降低成本并提高可靠性。

(图二)说明了如何将多个放大器和类比数位转换器封装在一起。这些元件可用来设计上述的大多数类比讯号调节功能。图二中之元件包含双通道低杂讯放大器和低杂讯可变增益放大器，功能方块如图所示，其功能升级元件之输入端能承受-2.0V的负电压输入尖波，这使得低杂讯前置放大器的前面可使用速度较慢且成本较低的输入钳位二极体。某些设计甚至不需要输入钳位。

此种元件还将主动终端整合成架构的一部份。主动终端可降低输入阻抗，不但杂讯指数比传统的并联终端方式（shunt termination）改善最多4.6dB，还能调整终端阻抗值来配合不同的讯号源。主动终端与最大增益选择功能（MGS）的结合可以提供理想的杂讯效能。

这些低杂讯前置放大器都具备差动输入与输出能力，增益值也可设为5dB、17dB、22dB或25dB。低杂讯前置放大器的输出还能提供给外部讯号处理功能使用，例如低通滤波。

可变增益功能由类比电压控制，其增益值可在0dB与最大增益选择暂存器所设定的增益值之间改变。使用者还能对可变增益值进行程式设定以便提供理想的动态范围。压控衰减器（VCA）的输入可随应用的不同而从低杂讯前置放大器切换到外部电路。低杂讯、增益和增益范围的可程式能力使此种元件成为一种多用途的功能建构方块，非常适合许多需要强大杂讯效能的应用。

《图二 功能方块图（2选1信道）》

另外，12位元、50MSPS的8通道并列式类比数位转换器，则可于20MHz速率下提供70.5dBFS（典型）讯号杂波比和82dBc（典型）无混附讯号动态范围（SFDR）。这种元件的功能方块图如(图三)所示。其3.3V之CMOS将耗电减少至957mW的极低水准，这能让系统整合密度提升。序列式LVDS输出则能减少界面线路数目和封装体积，进一步提高功能整合度。

若采用散热加强型PowerPAD TQFP-80封装，则可更节省元件空间。尽管可由内部或外部参考电压驱动，但内部参考电压模式才能提供最佳效能和最简单的系统设计。此元件要求高通道数目，故此系列元件未来将以增加取样速率为主，使应用设计能透过超取样来减少类比滤波要求。

《图三 8信道并列式模拟数字转换器功能方块图》

测试与量测：接脚电路

自动测试与量测设备可用来测试通讯系统、电脑、工业系统和许多其它最终应用的半导体元件，像是类比、数位、混合讯号、逻辑和记忆体。为了测试这些元件，测试设备会产生讯号激励受测元件，然后测量它们的响应。做为此用途的电路通常称为「接脚电路」（pin electronics），它多半包含下列功能：

接着将介绍实现这些功能所需之零件，(图四)为其功能方块图。

数位类比转换器

数位类比转换器可产生类比讯号来驱动受测装置并提供给其它功能使用，例如设定窗形比较器（window comparator）、参数测量单元（PMU）和主动负载的电压位准等。 12或13位元解析度目前虽较常见，未来产品却需要更高的解析度。由于可程式讯号和电压位准的数目众多，因此也需要多个数位类比转换器才能实现完整的测试解决方案。

驱动器

为了正确测试某些装置，需要驱动放大器来产生适当的电压位准。驱动放大器须能提供受测装置要求的电压和驱动能力，驱动器还须提供三态输出以避免影响受测装置传回讯号的测量。

窗型比较器

窗型比较器可用于成功/失败测试(pass-fail testing)。记忆体测试就是很好的应用实例,它会将测试资料写入受测装置然后再读回。

参数测量单元

参数测量单元提供强制电压、强制电流、测量电压和测量电流等功能。它可用于连续性测试、供应电压、输入电流和漏电流测量等。其功能组合方式包括：

主动负载

主动负载主要做为受测装置的负载，其供应电流和汲入电流都可透过数位类比转换器的输入进行程式设定。

温度感测器

温度感测器也包含在内，用来提供温度资讯。

《图四 接脚电路的功能方块图》

接脚电路的未来趋势

接脚电路迄今仍需要差异极大的架构来执行它们的功能：高速电路需要一种技术，精准直流电路则需要另一种技术，数位类比转换器等混合讯号功能又需要另一种不同的技术。

某些功能虽已整合在一起，相关元件也已上市，但多数解决方案仍需要二或三颗晶片才能发展出功能完整的测试头（test head）。为了降低成本、提高功能接脚的能力并让同样大小的测试头提供更多接脚，因此必须整合多种功能、减少外部零件、并发展更先进的架构。 (图五)是本文所建议的接脚电路元件，它可将前述功能全部整合至一颗晶片。

这类晶片未来将会用于减少测试解决方案的体积和成本。这不但能降低受测元件的制造成本，还可以其低复杂性进而提高受测元件的可靠性。

《图五 整合式接脚电路》

实现更高整合度的制程技术

CBC-10、C05、BCom 2和BCom 3等四种制程技术可提供测试与量测以及医疗影像应用更高的功能整合度。

CBC-10

CBC-10制程这种10V互补双极电晶体类比制程还包含制造数位功能所需的CMOS制程。 CBC是双极电晶体特征尺寸仅1μm（绘制线宽）和CMOS电路密度0.8μm的先进制程，不仅能制造截止频率高达10GHz和7GHz的NPN和PNP电晶体，还可提供80V的典型尔利电压（Early voltage）。除了核心互补高速双极元件外，它还能透过模组化方式增加萧特基二极体、JFET电晶体、高效能被动元件、和次微米CMOS等可​​供选用的模组。

这项制程提供高品质且低杂讯的JFET电晶体，可用来实现高阻抗输入级。它还能制造可微调式薄膜电阻和高精准度电容，不但能将寄生参数效应减至最少，还具备良好的线性特性和追踪能力。精确电阻和电容的线性程度可达到每伏特误差仅数个ppm，例如精准电容的线性程度可达5ppm/V，电压系数则为10到50ppm/V，这能大幅减少杂讯和失真现象。

此制程还能为高密度CMOS电路提供额外的隔离保护，像是提供单独的区域来容纳可与其它部份隔离的电路。这对于混合讯号设计极为重要，因为它能将类比电路的串讯减至最少并改善它们的精准度与速度，使类比电路的精准度更高、增益更大和速度更快。总而言之，CBC-10制程可用来实作数位控制、黏接逻辑以及微处理器与DSP界面。除了±5V高效能类比与混合讯号电路外，CBC还能制造0至5V的CMOS界面。

CBC-10是一种高速类比制程，可用来生产具有3.9GHz增益频宽、0.85nV/√Hz低输入杂讯、950V/μs高电压回转率，和-105dBc（5MHz）低失真的运算放大器。 CBC-10整合了类比能力与CMOS数位功能，使其得以实现更高功能整合度。

C05

C05数位制程是于90年代末期开发，专用于生产先进DSP晶片的制程。 C05是一种成熟的数位制程，其类比功能已在许多产品中获得进一步的运用。

C05是一种0.18微米的CMOS制程，能用来制造传输时间快速的电晶体。它使用先进的金属系统来减少接面电容和电晶体周围的寄生元件，因此最适合高速混合讯号设计。

C05制程也包含隔离式NMOS，它能减少数位开关对于敏感类比电路的干扰，还可以降低多通道元件的通道间串讯现象。另外，利用智慧型架构和电路技术来充份发挥高截止频率电晶体的优势，还能设计出速度快且效能高的类比数位转换器。

BiCom 2

BiCom 2制程是一种使用介电隔离层来减少电晶体寄生接面电容的15V互补双极电晶体技术，其中NPN电晶体的传输速率可达5GHz，PNP则为4GHz，这使它们成为非常快速的高效能类比电晶体。这种技术可承受更高的电压，因此适合需要较高电压的接脚电路。

BiCom 2还包含高效能的5V次微米数位CMOS制程，它能在晶片上制造由数千个逻辑闸组成的逻辑功能。这些晶片内建CMOS逻辑功能所需的晶片面积比双极逻辑更少、实作成本更低且耗电更少。因此利用BiCom 2制程生产的元件不仅能支援晶片内建CMOS逻辑功能，逻辑闸密度还能达到传统互补双极制程的20倍。这种制程可将各种标准数位功能与类比方块整合在一起，并且允许设计人员使用标准的数位设计工具。

BiCom 2制程汇集多种基础制程技术的优点，适合接脚电路应用。 BiCom 2是互补双极和CMOS制程的结合，它能像双极电晶体一样提供电流增益与尔利电压乘积（beta-early voltage product），故可用来制造简单和高效能的电路。 BiCom 2的15V互补双极制程可提供极为快速的电晶体给运算放大器使用，这正是许多类比功能的主要建构方块。 CMOS制程提供的5V类比电晶体则让设计更有弹性。这些优点不仅简化应用发展，还能更快提供整合度更高的接脚电路产品以满足市场需求。

BiCom 3

BiCom 3是专​​为超高精准度类比元件所发展的一种矽锗（SiGe）制程，也是以介电隔离式矽晶片为基础并将锗加入电晶体基极区的制程技术。将锗掺杂至基极可以大幅提高电荷载体的移动性，同时提供极端快速的暂态时间。这种制程可以制造出真正的互补双极NPN和PNP电晶体；其转换频率（transit frequency；fT）可达到18GHz，最大频率（fmax）则为40～60GHz。这个制程的速度可达到先前制程的三倍。

BiCom 3制程和BiCom 2一样都包含高密度的次微米CMOS逻辑，以及完整的数位元件库，这使高效能类比和复杂数位功能可以整合在一起。 5V高速电晶体则让这项制程适合快闪记忆体等低电压元件测试所需的接脚电路。

全面整合：系统单晶片

制造商已能将非常复杂且高密度的数位功能整合至类比制程。更准确的说法是，这些制造商已能利用成熟的数位制程发展类比功能，迄今并已推出许多高效能系统单晶片。但尽管如此，最先进且最高效能的数位与类比元件目前仍需使用不同的制程来发展，而这种现象在短期内并不太可能改变。

把数位和类比功能整合至同一颗晶片是极为困难的挑战。高效能数位逻辑会产生杂讯并导致类比功能的讯号杂波下降，因此将高速数位和类比功能放到同一张电路板上需要非常杰出的工程技巧，有时甚至比晶片级整合还要困难。

先进类比电压最近虽已成功地从12V减为5V和3.3V，但仍很难降到今日的数位核心电压水准。这是因为杂讯并不会随着操作电压的降低而减少，反而会大致保持不变。因此为了提供良好的讯号杂波比，类比操作电压必须保持一定水准。较低的电压并不能提供高动态范围类比讯号所要求的效能空间。

先进的数位制程并不包含高效能类比零件，它们的制程特征尺寸与先进类比制程也有很大不同。类比制程的起点是稳定的数位制程，因此会把数位制程电晶体所能提供的任何线性功能当成晶片内建的类比功能使用。但就算如此，任何新制程的初期发展重点仍在于数位功能，模拟功能则仅限于不需要额外制程步骤或修改的部份。等到制程成熟并成功制造出最新一代的高速逻辑产品后，数位制程设计人员即可开始发展下一代的制程技术，类比元件设计人员则会在这个制程上开发更强大的类比功能。类比元件的开发与改善都需要时间，因此高效能类比制程通常会在基础数位制程量产后好几年才推出。

结语

竞争激烈的未来市场需要新制程技术来推动高效能类比零件的整合，这样才能满足测试、量测以及医疗影像设备的严苛要求。功能整合加上架构进步和创新的设计解决方案可以减少成本、降低耗电、缩小体积并提高可靠性，同时让未来的设备更为轻巧。

现有技术的功能整合度虽远超过从前，但要将最尖端的数位功能和先进类比功能整合至同一颗晶片仍需等到未来才能实现。当这个目标达成后，下一步就是以最符合成本效益的方式将这些技术提供给客户。

（作者任职于TI德州仪器）

延 伸 阅 读	高速类比－数位转换器（ADC）的效能特性大幅影响着完整讯号处理链的设计，系统设计者所考量ADC所造成的冲击，不只在基频上，更必须延伸到射频（RF）及数位电路。相关介绍请见「高速类比数位转换器的设计考量」一文。 被动元件产业景气大约五年循环一次，上次景气高峰约在2000年下半年，以过去其产业景气循环经验推估，此次被动元件产业景气谷底期约在2003年下半年，而在主机板、笔记型电脑、可携式产品等换机带动下，在2006年将会达到此波被动元件产业景气高峰。你可在「被动元件产品及技术发展趋势」一文中得到进一步的介绍。 类比晶片可以将我们的感官所能处理的讯号转换成二位元脉冲，或是将二位元脉冲再转换回来；藉由这种方式，它们得以将数位逻辑连接到「真实的」世界。没有这些类比功能，就不会有任何数位设备，更别说网际网路或其它的数位通讯服务。在「先进类比制程提供关键系统技术」一文为你做了相关的评析。

市场动态

快捷（Fairchild）宣布新增三组类比产品开发团队，共约25位人员，目的为支援公司功率类比业务之发展。新增的小组将为快捷半导体带来合计约为479年的丰富类比设计经验，而这些团队都将专注于开发用于DC到DC和AC到DC功率管理应用的下一代类比IC解决方案。 相关介绍请见「快捷新增类比产品开发团队提升数亿营收」一文。 NS提供完整类比解决方案服务，以全方位讯号路径的概念发展新的应用领域，让客户能以较有竞争力的成本开发更有效能的产品，并持续耕耘行动电话、 显示器及其它市场，持续开发大众及新兴市场包括医疗、汽车及工业市场等。你可在「NS专注类比技术以快速满足市场需求」一文中得到进一步的介绍。 市场研究机构Databeans表示， 2005年全球类比晶片市场表现平平，占半导体业整体营收14％。此外，前十大类比晶片厂掌控了大约三分之二的市场，前五大厂总市占率更高达将近50％。根据该机构统计，全球前五大类比晶片业者依次为TI、ST、Infineon、Philips和ADI。在「2005年全球类比晶片厂排名德宜居首」一文为你做了相关的评析。