集成电路发展的新趋向

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目前,集成电路正进入一个蓬勃发展的新时期。新技术、新工艺不断涌现,新产品层出不穷。人们对集成电路的认识也不断深化,从设计思想到使用观念都在更新。本文从四个方面介绍集成电路发展的新趋向。

一、CMOS电路的迅速崛起

CMOS电路是集成电路中的后起之秀。它一问世,便立即显示出强大的生命力,以其独特的优点迅速进入国际电子市场。目前,CMOS电路已成为大规模集成电路(LSI)、超大规模集成电路(VLSI)和甚大规模集成电路(ULSI)的主流产品。国外专家预言,到1990年MOS产品将占全部集成电路的63%,其中又以CMOS电路产品为主。并认为:“CMOS在半导体界起着火车头的作用,给半导体界带来了新的光明。”

据统计,近几年我国CMOS电路的产量及销售量大幅度上升,而TTL电路却以抛物线规律迅速下降。1989年上半年,仅CMOS数字集成电路在我国就销售595万片,而TTL电路只销售114万片,前者是后者的5.2倍。CMOS电路中的标准系列(4000系列和14500系列)以及高速系列(74HC系列),正在许多领域中取代传统的TTL和LS-TTL电路。而且,某些新研制的微处理机已采用CMOS电路。例如日本富士通公司生产的16位CMOS单片微机,集成度高达1万门,而功耗仅130mW。

特别需要指出的是,CMOS电路正迅速扩展到模拟器件领域。用CMOS工艺技术代替双极型晶体管技术,现已制出许多性能优良的模拟集成电路,如第四代运放、定时器、A/D转换器等等,展示了良好的发展前景。

二、单片专用集成电路的广泛应用

集成电路强大的生命力在于应用。当前,国内外都在积极开发作特殊用途的单片专用集成电路。1989年上半年我国共销售7032.35万片集成电路,其中专用IC达5919.66万片,占总数的84.18%。这些专用IC大多用在彩电、收录机中。

新型单片专用IC主要有以下几类:

1.集成传感器:例如Intersil公司生产的AD590集成温度传感器,Motorola公司生产的MC14462烟雾检测器,国产SL3501C霍尔线性传感器,日本芝浦电气生产的TCD201C型固体图象传感器(CCD电荷耦合器件)等等。

2.传感器接口电路:例如国产SG590003型传感器接口电路,可以把SG590型传感器产生的电流信号转换成所需要的电压信号,直接与微机相联。

3.仪器仪表专用IC:例如Intersil公司生产的ICL7106(3\(\frac{1}{2}\)位)、ICL7135(41;2位,配LED)、ICL7129(4\(\frac{1}{2}\)位,配LCD)单片CMOS A/D转换器。美国模拟器件公司最近推出的AD7555型51;2位A/D转换器、可直接构成高精度数字电压表或数字万用表。此外,用ICM7216还可构成单片10MHz数字频率计。

4.工业控制专用IC:如MC14566工业时基发生器,MC14460汽车速度控制处理器等等。

5.机电一体化专用IC:例如5G88游标卡尺专用电路,CH508缝纫机专用电路。

6.家电专用IC:如日本松下公司研制的AN5151N单片微型黑白电视机IC,上海元件五厂生产的5G208单片电子琴电路,上海无线电七厂生产的SF1212照相机电子快门集成电路。

7.其他:例如5G5511直流电机稳速电路,SF69心脏起搏器电路。

专用集成电路的开发与应用,必将加速我国实现机电一体化的进程。

三、电子模块的开发

众所周知,采用集成工艺是无法将大容量的电容器和电感器、整流桥、电位器等集成到芯片内部的。因此,研制一台整机不仅要选用许多芯片,而且必须设计各IC之间以及IC与外围电路之间的引线,最后还要设计印制电路。这就给用户带来诸多不便。若利用电子模块,则上述许多问题可迎刃而解。

电子模块亦称微电子功能组件,简称模块。它是采用微电子技术,把集成电路与微型电子元器件(如超小型电解电容器)组装成一体,用来完成某一特殊功能的商品化部件。其结构特点是将全部元器件密集安装在印制板上,因此有人称之为“二次集成”。模块的外形大致分两种:一种是全密封式,不可以拆卸;另一种为敞开式,用户需自己配外壳。

由电子模块构成的整机同传统的集成化整机相比,具有以下显著特点:

1.大大简化了电路设计,缩短了研制周期;

2.工艺先进,大大提高了整机合格率和可靠性,上机合格率可达100%;

3.能减小体积与重量;

4.便于安装和维修;

5.采用全密封式模块还可防止伪造,维护厂家的权益。

电子模块这一产品形式最初由美国英特西尔公司于70年代推出。日本、荷兰、瑞士等国及香港地区的厂家也从80年代开始生产。国内则是在80年代中期才形成生产能力,并建立了专业生产厂家。目前,国内外许多半导体厂家正积极开发电子模块的系列化产品。其中包括集成稳压电源模块,高精度恒流源模块,DC-DC隔离电源模块,信号源模块,放大器模块,数字电压表模块,多位数显模块,V/F、F/V模块。此外还有供电力部门使用的功率模块、可编程控制器(PC)模块等。

图1和图2是国产两种集成稳压电源模块的外形,它们内部均包含整流滤波和稳压电路,只要接上合适的交流输入电压,即可输出额定的直流电压。其中,4NICC78系列为固定输出,模块内部采用7800系列三端稳压器。YM8731则为可调式输出(1.5~20V)。

图1
图1 🔍原图 (244×316)
图2
图2 🔍原图 (506×548)

四、ASIC的推广

ASIC是“特制集成电路”的英文缩写,它是80年代迅速发展起来的一项高技术产品。从设计思想、研制手段,直到测试方法,都与传统的专用IC有着质的区别。过去集成电路的供需关系维持在“厂家→用户”的格局上,即芯片厂家向用户提供标准产品,用户则不能提出自己的特殊要求。自1982年以来,上述局面发生重大变化,出现了用户全定制及半定制产品。即厂家接受用户委托,为满足用户特殊需要而专门研制的IC产品。它充分体现了“用户→厂家→用户”的新设计思想。此外,为研制ASIC所采用的技术与手段均有重大突破。ASIC产品是将超大规模集成电路(VLSI)的工艺技术、计算机辅助设计(CAD)、自动测试技术(ATE)三者结合的丰硕成果。目前,国外一些芯片厂家已建立起超大规模集成电路计算机辅助设计(简称VLSI-CAD或IC-CAD)中心,作为新产品开发的重要手段。现在,智能的VLSI-CAD系统已能将有源器件的尺寸缩小到亚微米,从而设计出包含上百万只晶体管的超大规模集成电路。利用这种系统不仅能完成芯片的逻辑电路设计、逻辑模拟、版图设计(包括布局、布线),还能对成品进行测试。

ASIC主要包括门阵列(GAL)、可编程门阵列、标准单元、宏单元和可编程逻辑器件。ASIC在我国才刚刚起步,现已能生产门阵列电路。门阵列具有功能强、设计灵活、可根据用户需要重复编程等优点,用一片门阵列可代替几十片CD4000系列或74LS系列产品。据统计,目前ASIC产品已占国际IC市场的32%,预计90年代以后将超过50%。到那时,标准IC将不得不退居次位。

国外已成功地将CMOS数字IC、模拟IC和微机(包括CPU、ROM、RAM)集成在一片超大规模集成电路中,只要配上传感器和少量外围元件,就能构成一台完整的智能仪器。图3是五功能电脑温控仪芯片的框图。它具有测温、控温、报警、计时、数据输出等功能,整个仪器的体积仅为92.0×43.5×10(mm),用1.5V钮扣电池供电。

图3
图3 🔍原图 (813×610)

ASIC的问世,改变了传统电路系统的设计方法,为优化设计、提高性价比和可靠性指标(MTBF)奠定了基础。今后在开发各种电子新产品(包括家电产品)的过程中,ASIC必将发挥重要作用。(沙占友)