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要是无源元件遵循摩尔定律会怎样?

2022-05-13 09:43:53 Bill Schweber 阅读:
许多片上系统(SoC)设计使用巧妙的拓扑结构,最大限度地减少了这些L和C的数量和值,即使它需要使用更多有源但更容易集成的器件。毕竟,模拟IC设计不仅仅是将分立式元器件的原理图简化成IC而已。

有时候,用“要是…会怎样?”来做推测是一个值得的思考实验,因为它拓宽了我们的思维和视野。摩尔定律实际上并不是物理意义的定律,而是一个假设。jKMednc

Gordon Moore于1965年为Electronics杂志撰写一篇名为“Cramming More Components Onto Integrated Circuits(在集成电路中塞进更多元器件)”的文章。该文章不仅简短、易读,而且非常有先见之明。自从他在此文中提出该定律之后,“摩尔定律”就定义了半导体产业,而其中还包含了其他几个令人印象深刻的目标预测。jKMednc

虽然摩尔的文章重心大部分都集中在数字集成上,但在文章结束之前,他确实指出了数字和线性电路之间的一些差异——但这一事实经常被那些引述摩尔预测的人所忽视。jKMednc

他写道:“缺乏数值较大的电容器和电感器,是线性领域中集成电路最大的基本限制。就其本质而言,此类元件需要以一定的体积储存能量。对于高Q值而言,体积就必须要大。从术语本身来看,大体积和集成电路的不兼容性是显而易见的。诸如在压电晶体中的特定共振现象,可以预期会有一些调谐功能的应用,但是电感器和电容器将伴随我们一段时间…其他线性功能则将发生很大的变化。集成结构中类似元器件的匹配和跟踪,将使差动放大器的设计在性能上大幅提升…未来的集成式射频(RF)放大器很可能由集成的增益级组成,以最低成本提供高性能,并穿插相对较大的调谐元件。”jKMednc

当今的现实是,我们确实有低数值的芯片式电感器、电容器和电阻器。许多片上系统(SoC)设计使用巧妙的拓扑结构,最大限度地减少了这些L和C的数量和值,即使它需要使用更多有源但更容易集成的器件。毕竟,模拟IC设计不仅仅是将分立式元器件的原理图简化成IC而已。jKMednc

与此同时,在利用新材料、制造技术和自动化来创造小得难以想象的无源元件方面已有巨大的进展。有许多但不是所有的这些无源元件,是使用某种陶瓷芯片作为物理结构的基础。jKMednc

尽管如此,超小型线绕器件仍然还有空间。例如,我就看到了Coilcraft公司016008C系列的产品发布,该产品号称是全球最小的高频线绕芯片电感器 ,尺寸只有0.47mm×0.28mm×0.35mm (1)。jKMednc

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1RF线绕电感器系列外形尺寸仅为0.47mm×0.28mm×0.35mm,几乎都看不见提供的电感0.45nH24nH(图片源:Coilcraft)jKMednc

它具有36种电感值,范围从0.45nH到24nH。其特色包括所谓市场上最高的Q因子和非常低的直流电阻——低于薄膜电感器——需要高Q值才能尽量减少RF天线阻抗匹配电路中的插入损耗。信息丰富的数据手册不仅列出了规格,还确定了用于测量每个参数的仪器。jKMednc

虽然这种紧凑性远非IC所能达到的,但其在无源元件“缩小”方面仍然十分可观。因此,需要这种适中电感值的RF电路,才能在元器件放置和产品封装方面具有额外的灵活性,同时减少寄生效应。jKMednc

毫无疑问,电感器从不同尺寸的大型绕线线圈,而电容器则为实体金属或金属化表面的时期,到现在已经历了很长的一段时间。过去曾经有一个奇怪但广泛使用的电容器例子,即所谓的“双绞线电容器”,它是由两条相互缠绕的电线所制成,如2所示。jKMednc

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2双绞线电容器是真正的即兴创作,它通常由两条短电线互相缠绕而成。(图片源:SM0VPO/G4VVJ  Harry Lythall)jKMednc

双绞线电容器的电容在很大程度上取决于电线的尺寸、绝缘厚度、扭绞的紧度,当然还有长度。典型的长度是1到2cm,合成电容为2到5pF/cm。当然,还会有一些微亨级的电感寄生效应。这种粗糙但有效的电容器用于RF电路中的级间耦合,如3所示,并用于增加“刚好足够”所需的电容来调整电路。jKMednc

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3双绞线电容器也用于级耦合,以便增加调谐范围上限增益。在此处,请注意该双绞线电容器的原理图,它置于次级侧绕组的极端(grid end,即真空管的特定说法)(图片源:www.radiomuseum.org)jKMednc

好处是,可以从一条更长的双绞线开始,然后不断地修剪直到事情按预期工作为止。我觉得可以将它称作用户可编程电容器。坏处则是此解决方案在生产环境中要做到可重复性很难。jKMednc

尽管如此,双绞线电容器已商业化使用了,因为它成本低、方便,而且可以对生产线上的每个单元进行修整,因为早期RF电路的单元间一致性性能曾经是个主要的问题。该双绞线电容器仍用于现场微调天线等功能,以补偿取决于位置、安装细节、线号、寄生效应和末端效应的实际差异,以及“在此处多加点电容可能会有所帮助”的情况。jKMednc

您认为是否有哪些地方使用超微型电感器可以使RF电路设计和布局变得更加容易?或者,处理可见性、原型设计和探测电路的困难,是否可能会给您带来不期望的意外困难呢?jKMednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Planet Analog,参考链接:What if passive components followed the Moore’s law?,由Franklin Zhao编译。)jKMednc

本文为《电子技术设计》2022年5月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里jKMednc

责编:Franklin
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Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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