在過去的十年里，模擬設計人員和電源設計人員的角色一直在發生變化。最近，隨著半導體集成水平越來越高以及產品制造領域的全球性變化，這種角色變化的趨勢進一步加劇。概括地講，集成正在從處理器延伸到各種模擬外設，逐漸向上游發展，制造業也正在向中國轉移。仔細研究一下，發現這是一個非常有意思，且具有啟發性的故事。
新角色
我們首先回顧一下模擬設計人員角色演變的過程。人們曾經希望模擬設計人員(無論男女)成為精通一項不可思議的藝術的大師，他們的任務是實現或多或少的各種單功能器件之間的互連。很久以前，他們處理的器件從無源器件和電子管，然后是晶體管、運算放大器和比較器，發展到簡單的定時IC、PLL、ADC和DAC等。他們的工作是驅動模擬收音機和電視、示波器和X光機、雷達裝置和投彈瞄準器，從模擬信號的角度來看，大多數這些設備都與真實世界發生交互。最近，數字輸出的出現，極大地方便了與微控制器或DSP的交互，而這些器件則是數字設計人員涉及的領域。(請參見：An Early Experience with Mixed-Signal Design Disciplines。)
如今，情況發生了變化。當混合信號芯片廠商發布新產品時，許多新產品(可能是其中的大部分器件)都是面向特定應用的，它們包含整個信號鏈，從傳感器輸入以各種形式收集模擬數據，并將模擬數據變成電壓電平，到通過信號調節進行數字化。輸出通常是針對芯片廠商的某種微控制器或DSP的輸入進行預配置的。事實上，一般都會有完整的參考設計可供使用。終端產品廠商唯一要做的事情就是確定要實現哪些功能，價位多少，以及包裝電子器件的封裝設計。
芯片廠商的這種商業模式似乎在全球范圍內都比較普遍。而歐洲、日本和韓國是特例，這些地區的IC制造商都是大型的垂直集成型機構，新款芯片的主要客戶可能都是內部客戶，而北美芯片公司的客戶往往是中國廠商。
對于模擬設計工程師來說，產品集成的這種變化已經改變了他們的職業前景。除了從事工業控制領域工作的工程師以及軍事航空和電信公司的工程師之外，以前需要在工作臺上進行的設計工作已經不復存在了。所有我訪問過的公司都認為，模擬設計領域的機會已經轉移到了芯片公司，芯片公司的模擬工程師可以是該公司內部或者這個領域的混合信號芯片設計人員或者應用工程師。
促進改革的推動力
事情發展到這種局面經歷了一些過程。顯然，IC設計規則一代代地持續縮小推高了集成度，不過由于允許的工作輸入電壓隨著物理尺寸的縮小而降低，也同樣帶來了各種難題。
僅僅從模擬領域完善模擬芯片設計可能會使芯片生產工藝停留在0.35微米時代。從那時起就已經有必要通過數字領域的技巧來緩解基本的噪聲問題。
事實上，設計規則的縮減已經成為混合信號集成的推動因素之一。將信號調節放大器連接到ADC不再需要留給客戶工程師來做了：這些工程師并不是非常熟悉工藝技術以及在信號鏈各級實現的專有技術。芯片廠商如果不希望客戶抱怨他們的產品沒有在真實設計中達到其數據手冊中的特性，他們就必須將接口隱藏在芯片封裝內。即使是這樣，最終產品的性能也不可能由于客戶修改了由工廠開發的布局而得到提升。因此，我們找到了完整的參考設計和Gerber圖，并且找到大批現場應用工程師向客戶解釋，為什么工程師們確實不愿意用便宜的電容來給每個電路板節省半分錢的成本。
削減材料成本往往會將一個設計置于死地，這種觀念為過渡到高集成度混合信號IC產品提供了主要依據。
對于購買新型混合信號產品并將這些產品變成面向普通民眾和新興中產階段的消費類產品的公司(OEM和ODM)而言，他們正面臨著這樣的難題。
我們先來了解一下這些首字母縮略詞——OEM是原始設備制造商的縮寫，而ODM是原始設計制造商的的縮寫。我無法在網絡上找到一個我認同的明確解釋，因此我會提出一個與我在芯片業務中獲悉的說法相一致的定義。
概括地講，這是一種分級的局面：OEM為銷售品牌產品的公司生產有品牌的產品。ODM則生產組件，可能有多家公司會在這些組件上加上GUI，并用外殼進行封裝后，以多種未注冊的商標進行銷售。
OEM這個名稱是OEM概念在汽車業務中的延伸。福特(Ford)或豐田(Toyota)銷售給普通用戶的擋風玻璃雨刮器電機可能就是外面的廠家按照福特或豐田的規格生產的。這種電機可能還需要進行某種驗收之后才能進入福特或豐田的“車廠到經銷商”的供應鏈中。福特或豐田的品牌以及該電機來自汽車公司的零件部這一事實會給我們帶來信心，使得我們愿意接受這些產品高于從產品目錄中購買的具有同樣規格的產品的價格。
在電子產品由中國廠商(這些廠商可能已經購得了以前比較出名的北美品牌的品牌權)生產的情況中，運行機制是相似的：以擁有品牌的公司的名義銷售的產品是無與倫比的，公司可能在十年或者更長的時間都一直在致力于通過優異的性能、過硬的質量和顧客支持，為其品牌建立聲譽。
在中國，這類公司往往面向的是海外市場。當海外市場像現在一樣不景氣的時候，情況就不是很妙，這樣，它就無法支持通常較短的消費產品生命周期。(我們應該每三年買一個新電視。)
同時，中國中產階段群體的規模在與日俱增；這個群體的人群可能要比全球任何地區中產階段的人都要多，這些普通百姓一般都沒有采用一流的消費產品，因此他們現在有了強烈的購買欲望。
此外還需要記住的是，他們沒有用信用卡的習慣，因此，雖然他們無法像西方消費者一樣消費那么多，但是他們幾乎不可能引起經濟泡沫，如果像中國一樣，你一直接受的是嚴格的馬克思主義經濟學的熏陶，這可能是一件好事。
這就是OEM所面臨的局面。如果芯片公司的參考設計有足夠的功能支持具有各種價位(與實現的功能數成正比)的常規設計，如果可以通過多個國內品牌的不同配置來提供設計，并且ODM能以最低的非重復性工程(NRE)成本迅速將其導入生產階段，那么這種產品就是一個成功的產品。
也可以這樣說，如果產品能夠支持終端用戶對價格和性能的期望，那么這種產品就是一個成功的產品。例如，很久以前，我曾經寫過一篇有關日本和中國空調市場的文章(網址為http://electronicdesign.com/article/power/air-conditioner-chip-set-is-way-cool12211.aspx)。議題是不同的壓縮機需要的電機控制以及價格與安靜度之間的折衷。日本消費者愿意為噪聲比較小的空調支付更高的價格；而中國消費者只要求空調能致冷就行了。
除了經濟因素之外，還有各種其它的文化考量。如果你所在國家的大部分地區都存在醫生和醫院嚴重短缺的狀況，那么資質相對較低的醫生使用的比較便宜的醫療儀器將在整體醫療方面起到極大的作用。因此，你會發現ODM不僅生產便宜的筆記本電腦、空調和照相機，而且還生產基本的超聲波儀器。(請參見：An Early Experience with Mixed-Signal Design Disciplines，網址為http://electronicdesign.com/article/analog-and-mixed-signal/New-Technology-Treats-Medical-Needs-In-Developing-Countries.aspx。)
如果OEM或ODM的商業模式需要廠商應對高NRE費用，這種商業模式就不起作用。這是我們贊同半導體廠商應該專注于更有難度的模擬設計工作的另一個因素，而不是遵循舊的模式，開發各種單獨的高性能IC，并“將這些IC一股腦兒扔給”終端產品設計人員。
缺乏導師
避免這種脫節同樣也是近代中國發展的一個側面。每當我與半導體公司的高級工程師談起未來的模擬設計人員將來自哪個群體時，他們總是告訴我，新大學畢業生至少需要高級設計人員指導五年之后才能真正充分發揮作用。
毫無疑問，在中國的工程設計院校學習的年輕學生既聰明又勤奮，不過他們畢業之后，卻面臨著嚴重缺少高級導師的問題。據悉，由于已在海外工作幾十年的退休工程師回到工作崗位，這個問題在一定程度上有所緩解，不過只有等到更多的應屆畢業生度過他們的成熟期之后，這個問題才會得到徹底解決。
這并不意味著年青的中國工程師一直在原地踏步。多個資源來源顯示，年青的中國工程師非常依賴他們自己的社交媒體，從而在技術問題上尋求相互支持。
影響延伸到無晶圓廠
到此為止，本文討論的范圍已經涉及到了傳統的半導體公司及其客戶，但是向高混合信號集成度發展以及通過參考設計提供完整的產品化的趨勢也延伸到了無晶圓廠新創公司。這里舉一個例子，我以前寫過一篇有關Samplify公司的文章，該公司從一家IP供應商發展成一家ADC供應商，最后發展成便攜式超聲波設備的完整產品設計提供商(網址為http://electronicdesign.com/article/analog-and-mixed-signal/The-Mind-Of-An-Entrepreneur.aspx)。
Samplify公司實現這一飛躍的途徑是面向ODM進行優化，不過這不是無晶圓廠公司唯一可行的辦法。蘇格蘭公司Wolfson Microelectronics表示，它正在尋求將其編解碼器用在大公司的參考設計板的機會，從而能將他們的產品賣給OEM。
中國以外的地區
由于遠東地區消費類產品的產量極具影響力，因此在討論這種趨勢時，很難不去詳細討論遠東地區。不過更高集成度和預先優化的設計也開始在西方工業控制市場出現。
根據定義，工業控制是專注于特定產業的區域性領域，與消費類產品相比，工業控制領域的任何一種項目需要的IC數都非常少。盡管如此，總的來講，工業控制領域對于分銷商而言也是一筆大業務。這里的問題在于，隨著半導體公司不斷招收越來越多的應屆大學畢業生，并將他們派上芯片設計工程師和應用工程師的工作崗位，從事工業控制開發工作的新模擬設計工程師(無論是大公司還是小設計公司)就存在一定的短缺。與此同時，高級設計工程師日漸年長，紛紛退休，一方面在經驗上造成損失，另一方面加劇了供應減少的局勢。
認識到這一點之后，一些半導體公司開始改革。美國國家半導體公司(NSC)就是一個很好的例子。被德州儀器(TI)收購后，NSC一定會起死回生的其中一個因素就是其WEBENCH在線設計工具組合產品。從過去來看，這些產品致力于采用功能上相對簡單(與本文討論的IC相比)的IC進行設計，不過最近發布針對特定傳感器定制的信號調節產品之后，這種局面發生了變化。補充新硬件是一種可定制整個信號鏈的新型WEBENCH實現方案。(請參見：Chips Implement Sensor Signal Chains From Nanoamps To Bits，網址為http://electronicdesign.com/article/analog-and-mixed-signal/Chips-Implement-Sensor-Signal-Chains-From-Nanoamps-To-Bits.aspx)。
LMP91000就是這種傳感器產品中的一個例子，這是一款面向電化學傳感應用的可編程模擬前端(AFE)，以下網站上有該產品的說明：http://www.national.com/pf/LM/LMP91000.html#Overview。
電源因素
自從開關穩壓器中出現數字控制功能之后，電源管理IC廠商已經走上了與混合信號IC廠商相似的道路。這對于采用中間總線架構(IBA)的應用而言尤其如此，在這類應用中，關閉模擬領域的控制回路通常被視為一種模擬魔術。因此Power-One和NSC等芯片廠商通過圖形用戶接口(GUI)支持其“數字”電源產品，圖形用戶接口則承擔設計過程中的所有需在工作臺上完成的設計工作和大量分析工作。
對于大多數器件來講，這些產品都是DC-DC開關穩壓器，不過Vicor公司最近發布了一款名為PowerBench的電源設計工具，該工具支持從簡單的降壓穩壓器和升壓穩壓器到完整的多路輸出AC-DC電源的設計。
混合信號產品示例
接下來我們抽查一下各種半導體公司最近發布的產品，以此來舉例說明上述各種混合信號芯片。
去年3月，TI發布了16位和14位雙通道同步采樣逐次逼近(SAR) ADC，這兩款ADC都帶有獨立控制的內部電壓參考，可簡化系統級設計。16位ADS8363、14位ADS7263和12位ADS7223(圖1)可以提供同類ADC兩倍的每通道吞吐能力，支持高達1Megasample/s的采樣速率。這些ADC的目標應用為工業控制領域，而不是消費類或醫療應用。典型應用包括馬達控制、電能質量測量、電力自動化以及太陽能和風力發電逆變器。
圖1：Bulletproof的參考設計對于銷售和應用旨在去除設計特定混合信號應用所需硬件的IC至關重要。這塊針對TI公司面向工業控制的ADSxx63雙通道SAR的電路板相當簡單，因為芯片的使用相對較簡單。
集成兩個2.5V獨立控制的電壓參考的意義在于實現獨立的ADC增益校準和實現可編程增益放大器。此外，這種功能還可以在每個ADC需要不同的增益水平時減少外部信號調節的需求。
凌力爾特公司(Linear Technology)的新產品一般都針對汽車應用。從高集成度的角度來講，凌力爾特公司面向混合動力汽車/電動汽車(EV)和其它高壓高性能電池系統的LTC6803第二代高壓電池監測器可以解決通過串聯電池組的高壓的問題。多個LTC6803可以在不使用光耦或隔離器的情況下串聯在一起(圖2)，從而對電池陣列中的每個電池實現精確電壓監測。每個LTC6803電池測量IC都包含一個12位ADC、一個精密電壓參考、一個高壓輸入復用器和一個串行接口。單個LTC6803可以測量多達12個串聯的獨立電池。可以測量的電池電壓范圍為-300mV至5V，這使得LTC6803能夠監測許多不同的化學電池和超級電容。除了精密測量之外，還可以監測每個電池的欠壓和過壓狀況，提供相關的MOSFET使過度充電的電池放電。此外還有一個5V穩壓器、一個溫度傳感器、GPIO線路和熱敏電阻輸入。
圖2：凌力爾特公司針對利基市場的高集成度發展路線包含了在不采用光耦的情況下監測電動汽車電池組狀態的諸多技術。
測量汽車的電池陣列有一些獨特的要求，從而催生了一些同樣獨特的解決方案。例如，對于長期的電池組存放，集成式電池管理系統消耗的電流會使電池失去平衡。凌力爾特公司的應對方法是采用待機模式，在該模式下汲取的電流不到12微安。此外，由于LTC6803的電源輸入與電池組隔離，因此LTC6803可以汲取獨立電源的電流，在這種情況下，從電池組汲取的電流將不到1微安。除此之外，芯片還必須滿足汽車溫度、環境和安全標準。
今年1月，ADI發布了面向心電圖(ECG)系統的模擬前端芯片系列的首款產品。ECG系統可以測量和記錄人體心臟的心電活動(圖3)，實現對出生缺陷、心律失常、心臟瓣膜問題和心臟肌肉的供血不足等疾病的診斷和分析。
圖3：ADI公司用于便攜式ECG的模擬前端可以在滿足嚴格要求的同時，節省功耗和BOM成本。
ADAS1000 ECG AFE可以省去5電極心電監護系統的信號鏈中的50多個元件。該器件還整合了心臟起搏器脈搏檢測和呼吸測量功能。這是一個通用器件，因為它可以通過配置來優化噪聲性能、功耗或數據速率。這些指標是家庭、門診和醫院ECG系統的不同設計目標。
對于ODM和OEM而言，自然就有相當多的設計支持。評估板包括模擬前端、電源、控制和接口選擇方案。由于模擬前端是唯一的，因此ADI將其與ADI的Blackfin DSP(數字信號處理器)、單芯片USB隔離器、四通道數字隔離器、5kV DC-DC轉換器，433MHz、868MHz和915MHz ISM波段收發器和各種DC-DC穩壓器整合在一起。
TI還推出了一個面向便攜式ECG系統的模擬前端系列。最新的24位ADS1298R整合了呼吸檢測功能，集成了40多個分立元件(如果不集成的話就需要這么多元件)。該芯片(圖4)的功耗比分立實現方案低95%。片上器件包括八個ADC、八個可編程增益放大器(PGA)、八個有源濾波器以及一個心臟起搏器檢測接口、持續斷線檢測功能、一個電壓參考和右腿驅動電路等。在參考設計中，該芯片與超低功耗DSP配合使用。參考設計還可以實現示波器、FFT和直方圖顯示，這體現了芯片公司在這些目標混合信號芯片中提供的設計支持。
圖4：除芯片廠商之外的其它公司會從本文介紹的趨勢中獲益。TI的心電圖產品可與ADI相媲美。評估板可與Fluke公司的這款商業仿真器配合使用。
集成度有時候也涉及MEMS。ADI在1月推出了具有I2S(Inter-IC Sound，音頻芯片互連)數字輸出的高性能MEMS麥克風ADMP441。(這是產前公告，今年6月開始量產)。該公司以前在其iMEMS系列中推出了其它的麥克風產品，不過這款新麥克風器件不需要進行信號調節和數字化操作，而是直接提供24位串行數據輸出。其規格如下：頻率響應為100Hz至15kHz，SNR為61dBA，電源抑制比(PSRR)為80dBFS。采用4.72×3.76×1.00mm3的封裝。
圖5：集成并不意味著不使用電子元件。ADI將MEMS麥克風與其相關的電子器件集成在一起，實現了一款尺寸極小的耐用設備。