一文讀懂模擬IC與數字IC的差異

2021-02-23 電子發燒友網

IC就是半導體元件產品的統稱，IC按功能可分為：數字IC、模擬IC、微波IC及其他IC。

數字IC就是傳遞、加工、處理數位訊號的IC，是近年來應用最廣、發展最快的IC品種，可分為通用數字IC和專用數字IC。

模擬IC則是處理連續性的光、聲音、速度、溫度等自然模擬信號的IC，模擬IC按應用來分可分為標準型模擬IC和特殊應用型模擬IC。如果按技術來分的話，模擬IC可分為只處理模擬信號的線性IC和同時處理模擬與數位訊號的混合IC。

標準型模擬IC包括放大器，電壓調節與參考對比，信號界面，數據轉換，比較器等產品；特殊應用型模擬IC主要應用在通信、汽車、電腦周邊和消費類電子等四個領域。

簡單總結一下二者的區別：數字電路IC就是處理數位訊號的器件，比如CPU、邏輯電路等；而模擬電路IC是處理和提供模擬信號的器件，比如運算放大器、線性穩壓器、基準電壓源等，它們都屬於模擬IC。模擬IC處理的信號都具有連續性，可以轉換為正弦波研究，而數字IC處理的是非連續性信號，都是脈衝方波。

不同數字器件有不同的製程, 所以需要不同的供電電壓, 因此更需要電源管理這一模擬技術，隨著數位技術的發展, 模擬技術分布於數位技術周邊, 與數位技術密不可分，數位技術與模擬技術比較如下：

下面我們從模擬IC的四大特點來說明模擬IC與數字IC的差異性：

數字IC強調的是運算速度與成本比，數字IC設計的目標是在儘量低的成本下達到目標運算速度。設計者必須不斷採用更高效率的算法來處理數位訊號，或者利用新工藝提高集成度降低成本。因此數字IC的生命周期很短，大約為1年-2年。

模擬IC強調的是高信噪比、低失真、低耗電、高可靠性和穩定性。產品一旦達到設計目標就具備長久的生命力，生命周期長達10年以上的模擬IC產品也不在少數。如音頻運算放大器NE5532，自上世紀70年代末推出直到現在還是最常用的音頻放大IC之一，幾乎50%的多媒體音箱都採用了NE5532，其生命周期超過25年。因為生命周期長，所以模擬IC的價格通常偏低。

數字IC多採用CMOS工藝，而模擬IC很少採用CMOS工藝。因為模擬IC通常要輸出高電壓或者大電流來驅動其他元件，而CMOS工藝的驅動能力很差。此外，模擬IC最關鍵的是低失真和高信噪比，這兩者都是在高電壓下比較容易做到的。而CMOS工藝主要用在5V以下的低電壓環境，並且持續朝低電壓方向發展。

因此，模擬IC早期使用Bipolar工藝，但是Bipolar工藝功耗大，因此又出現BiCMOS工藝，結合了Bipolar工藝和CMOS工藝兩者的優點。另外還有CD工藝，將CMOS工藝和DMOS工藝結合在一起。而BCD工藝則是結合了Bipolar、CMOS、DMOS三種工藝的優點。在高頻領域還有SiGe和GaAS工藝。這些特殊工藝需要晶圓代工廠的配合，同時也需要設計者加以熟悉，而數字IC設計者基本上不用考慮工藝問題。

模擬IC在整個線性工作區內需要具備良好的電流放大特性、小電流特性、頻率特性等;在設計中因技術特性的需要，常常需要考慮元器件布局的對稱結構和元器件參數的彼此匹配形式;模擬IC還必須具備低噪音和低失真性能。電阻、電容、電感都會產生噪音或失真，設計者必須考慮到這些元器件的影響。

對於數字電路來說是沒有噪音和失真的，數字電路設計者完全不用考慮這些因素。此外由於工藝技術的限制，模擬電路設計時應儘量少用或不用電阻和電容，特別是高阻值電阻和大容量電容，只有這樣才能提高集成度和降低成本。

某些射頻IC在電路板的布局也必須考慮在內，而這些是數字IC設計所不用考慮的。因此模擬IC的設計者必須熟悉幾乎所有的電子元器件。

模擬IC設計者既需要全面的知識，也需要長時間經驗的積累。模擬IC設計者需要熟悉IC和晶圓製造工藝與流程，需要熟悉大部分元器件的電特性和物理特性。通常很少有設計師熟悉IC和晶圓的製造工藝與流程。而在經驗方面，模擬IC設計師需要至少3年-5年的經驗，優秀的模擬IC設計師需要10年甚至更長時間的經驗。

模擬IC設計的輔助工具少，其可以藉助的EDA工具遠不如數字IC設計多。由於模擬IC功耗大，牽涉的因素多，而模擬IC又必須保持高度穩定性，因此認證周期長。此外，模擬IC測試周期長且複雜。

某些模擬IC產品需要採用特殊工藝和封裝，必須與晶圓廠聯合開發工藝，如BCD工藝和30V高壓工藝。此外，有些產品需要採用WCPS晶圓級封裝。

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