半导体系列9-半导体行业研究：集成电路之模拟芯片中的信号链
导语--上篇文章我们对模拟芯片中非常重要的一类细分行业即电源管理芯片进行了简单的介绍，本篇文章，我们将对另一类重要的模拟芯片细分行业即信号链进行梳理。完成信号链芯片的介绍，也意味着完成了集成电路芯片的最后一块拼图，让我们开始吧。
上篇文章在介绍模拟芯片的功能时，我们引入了一张图，在此有必要把这张图再放一遍，如下图所示，居中的电源管理芯片提供**运行所需的电源转换。除此之外，图中进行信号预处理（包括放大、滤波、隔离等）、预处理完成的再加工（包括运算、比较、转换等）、加工完的功率放大等功能的芯片就是信号链芯片。
上篇文章中，我们已经在模拟芯片的思维导图中给出了信号链的细分种类，在此我们单独对信号链部分作一个思维导图，如下所示：
信号链芯片，是连接物理世界和数字世界的桥梁， 负责对模拟信号进行收发、转换、放大、过滤等，产品主要包括线性产品、转换器产品、接口产品三大类，此外还包括RF与微波、时钟与计时等。
1. 线性产品：主要完成模拟信号在传输过程中放大、滤波、选择、比较等功能。线性产品的线性指输入输出呈线性关系，常见的产品包括放大器、滤波器和模拟开关。
（1）放大器又可分为运算放大器、差分放大器、比较器等，是线性产品中的典型产品。运算放大器能用于功率放大，也能用于音**放大等，具备高增益的特点。差分放大器能为高精度**提供低增益。比较器的结构、工作原理与放大器比较接近，用途上有所不同，放大器用于等比例放大信号，比较器用于比较两个电压值或电流值的大小，比较器的响应速度更快，常用于过压保护电路或电池欠压检测。
（2）滤波器，顾名思义，可滤除电路**定频率或该频率意外的波。除了在音**领域广泛应用外，还有可将电路转换过程中的噪音滤除的电源滤波器和数字滤波器。
（3）模拟开关，主要是完成信号链路中的信号切换功能，起接通信号或断开信号的作用，具有功耗低、速度快、无机械触点、体积小和使用寿命长等特点。
2. 转换器产品：完成模拟信号和数字信号的相互转换，包括ADC和DAC两种。ADC（Analog-to-Digital Converter）将模拟信号转换成数字信号，朝着高精度、高转换速率、低功耗、单电源、低电压等方向发展，通过采用先进的CMOS工艺、时间交织采样和越来越多的数字辅助校正技术提升性能。DAC（Digital-to-Analog Converter）将数字信号转换成模拟信号，朝着高精度、低功耗、多信道、多功能集成方向发展。
资料来源：Rohm
（1）ADC模数转换包括采样、保持、量化、编码四个过程。采样是将一个时间上连续变化的模拟信号经由一系列等间隔的采样脉冲转化为时间上离散的采样信号，这个时间间隔称为采样周期。保持是指要把一个采样输出信号数字化，需要将采样输出所得的瞬时模拟信号保持一段时间，在此期间采样值保持不变。量化是对经过采样后在时间上离散的信号进行处理，使其在幅值上离散，量化过程中会引入量化误差，即输出信号的等效模拟值与实际输入信号模拟值之间的差值。编码是将量化后的信号以特定的数字码型输出。转换速率、分辨率、精度是ADC产品的核心性能参数。按照转换方法的不同，ADC可进一步分为闪存型、双积分型、逐次逼近型、流水线型、Σ-Δ型。
资料来源：Rohm
（2）DAC转换器从基本原理可分为电流求和型和分压器型两大类。在电流求和型中，需要产生一组支路电流，让它们数量之间的比例与二进制数中每一位的权重成正比，当数字量输入时，将与其中取值为“1”位对应的支路电流相加，就得到与输入数字量成正比的输出电流信号，电流经过电阻便可以转换为电压输出信号。权电阻型、权电流型、倒T形电阻网络DAC均属于电流求和型DAC。在分压器型中，用输入数字量每一位去控制分压器中的一个或一组开关，使接至输出端的电压与输入的数字量成正比，分压器可用电阻分压器（如开关树形DAC）或电容分压器（如权电容网络DAC）。
资料来源：Rohm
3. 接口产品：可用于电子**之间的信号传输，封装好的信息传输的各种接口协议（包括满足 RS232、 RS485 等多种协议标准）的接口产品。 模拟信号在模数转换并处理后可通过数模转换直接输出，也可以输出到接口进行传输，接口主要类型包括以太网接口、USB接口等。接口产品的典型应用如适用于各个行业电子**的打印接口；适用于监控安全行业的控制和调试接口等；通信行业的背板时钟以及控制信号的传送接口等。
4. RF与微波：包括射频芯片和微波芯片，一般也统称为射频芯片。射频（RF，Radio Frequency）就是射频电流，是一种高频交流变化的电磁波.RF表示可以辐射到空间的电磁频率，频率范围在300KHz～300GHz之间。每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大于10000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。高频大于10KHz，射频（300KHz-300GHz）是高频的较高频段；微波频段（300MHz-300GHz）又是射频的较高频段。射频技术在无线通信领域中被广泛使用。
射频芯片是处理射频频段的信号链芯片，能够将射频信号和数字信号进行转化，负责射频收发、频率合成、功率放大，适合信号收发类电路，被称为模拟芯片皇冠上的明珠。为了方便区分， 有时也将信号链芯片和射频芯片单列开来。因此有些地方我们也可以看到根据功能将模拟芯片分为电源管理芯片、 信号链芯片、射频芯片的分法。
射频芯片与基带芯片（BP）一起构成了通信**架构（实际上在早期的通信**架构中还包括第三种芯片即中频芯片（Intermediate Frequency，IF），这是因为通讯电磁波的频率很高，要由数字讯号开始直接将讯号的频率提高到电磁波的频率（GHz）会遇到许多困难， 因此可以先以讯号频率比高频电磁波还低的中频来处理，后来由于直接转换（ Direct conversion）技术的进步，可以克服讯号灵敏度与噪音问题，射频可以直接降为基频处理，少了中频芯片可以结省空间与降低成本，达到零中频（Zero IF，ZIF）的目标），BP我们在数字芯片中已经进行了介绍。下面我们对射频芯片的分类做一个简单的梳理。
射频芯片包括RF收发机、功率放大器（PA）、低噪声放大器（LNA）、滤波器、射频开关（Switch）、天线调谐开关（Tuner）等，其中PA、LNA、滤波器、射频开关又统称为射频前端芯片，滤波器又可分为中低频段的表面声波滤波器（SAW，Surface Acoustic Wave)和中高频段的体声波滤波器(BAW，Bulk Acoustic Wave)。
在通信**中不同射频芯片各司其职，完成通信的转换功能。其中收发器、天线负责信号的收发；射频开关用于实现射频信号接收与发射的切换、不同频段间的切换；LNA用于实现接收通道的射频信号放大；PA用于实现发射通道的射频信号放大；射频滤波器用于保留特定频段内的信号，而将特定频段外的信号滤除；双工器用于将发射和接收信号的隔离，保证接收和发射在共用同一天线的情况下能正常工作。见射频芯片和基带芯片是什么关系？
若以技术难度论，射频前端技术难度从低到高依次为：开关、LNA、PA、滤波器。滤波器中的BAW主要用于5G通信场景，也属于射频前端最难的一点。限于篇幅，关于射频领域的详细情况我们已有有机会再着重介绍。
5.时钟与计时：时钟在电子产品中提供脉冲，主要作用是能够让数据在同一时间被传输或将固定频率的来源滤除。为实现上述功能，时钟类产品需要集成数字资源及模拟电路，因此时钟芯片属于细分领域市场的模拟混合信号芯片。时钟下游应用十分广泛，尤其在通信领域，时钟（主要是时钟芯片）是高性能通讯**中必不可少的核心芯片，其性能及可靠性直接影响着通讯**的主要性能和**稳定性。
时钟和计时类产品主要包括时钟发生器、时钟缓冲器和RTC与计时器等。时钟发生器是用来产生时钟信号的器件。RTC(Real Time Clock)是集成电路，通常称为时钟芯片，也被称为实时时钟。任何实时时钟的核心都是晶振，晶振频率为32768 Hz ，它为分频计数器提供精确的与低功耗的实基信号，通过对晶振所产生的振荡频率分频和累加，得到年、月、日、时、分、秒等时间信息并通过计算机通讯口送入处理器处理，也就是说时钟芯片是通过晶振的作用来确定日期和时间的。
但这里需要注意时钟与晶振的区别，时钟是一个脉冲信号，晶振是构成振荡器的元器件，振荡器的输出可以有很多用途，其中之一就是生成时钟脉冲信号。同样的生成时钟信号也不一定要通过晶振，我们通常所说的 “片内时钟”, 实际上片内就没有晶振，而是RC振荡电路。单片机不一定要晶振，因为很多单片机并不需要石英晶体这种数十ppm的精确度，而只需要1~2%上下精确度就可以。现代很多单片机都有内建RC振荡电路，俗称内振，但是需要另搭配晶振给实时时钟，以保持时间准确。
时钟缓冲器则是对时钟信号进行分配的器件。几乎所有的电子**都需要对**中的很多芯片提供多个时钟信号，以建立该**的运行节奏。但若是在设计中采用多个**的晶体时钟源给不同的芯片提供时钟信号，会提高**成本，增大电路板面积，而且会带来时间同步的问题，好的**设计会选择使用单一主时钟振荡器作为时钟源，再将时钟信号通过时钟缓冲分配给整个**中的各个芯片。
至此，我们已经完成集成电路芯片细分行业的所有拼图，接下来我们将继续出发，去看一看半导体其他的细分行业。下周我将考虑一周两更，其中半导体系列将改在每周三晚上更新，周末考虑尝试增加一项市场策略梳理的文章。
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