作者：顾正书
EET电子工程专辑原创
本文共分为四个部分，分别是：
1.全球和中国模拟芯片市场趋势
2.未来模拟技术的发展方向
3.国际模拟芯片厂商的Top 5芯片
4.国产模拟芯片厂商的Top 5芯片
感兴趣的朋友可以通过微信投票评选出“中国工程师最喜欢的10大模拟芯片”!
模拟芯片用于将物理世界的模拟信号转换为数字信号，经过数字芯片的处理后，再将数字信号转换为模拟信号，输出到物理世界用于显示或驱动。这样的转换过程一般会涉及电源管理、数据转换/放大/调理/接口，以及射频信号传输等。模拟芯片包括三大类器件：电源管理器件、信号链器件和RF射频器件。再进一步细分，电源管理芯片包括AC-DC电压转换器、DC-DC电压转换器、线性和低压降 (LDO) 稳压器、电池管理IC、LED驱动器、电压基准和监控器IC，以及USB电力传输IC、以太网供电 (PoE) IC和氮化镓(GaN) IC等;信号链器件包括数据转换器(ADC/DAC)、放大器、比较器、音频IC、信号调理芯片，以及各种接口和隔离器件;RF器件包括射频低噪声放大器(LNA)、射频功率放大器(PA)、双工器(Duplexers)、调谐器和射频开关等。
全球和中国模拟芯片市场趋势
根据世界半导体贸易统计组织(WSTS)8月份发布的2021Q2全球半导体市场数据，预计今年全球半导体市场比去年增长约25%，市场规模将达5551亿美元。从半导体产品类别来细分，所有产品类别都有两位数的增长，其中模拟芯片将从2020年的556.58亿美元增至718.82亿美元，增幅高达29%。
2021年二季度全球半导体市场数据更新。(来源：WSTS)
另据IC Insights报告显示，全球模拟芯片市场继2019 年下降 8% 之后，2020年实现3% 的小幅增长。今年模拟市场预计将获得25%的增长，单位出货量增长达到20%，这意味着今年模拟芯片的平均售价(ASP)将罕见地上涨(约涨价4%)。上一次模拟芯片ASP上涨是在2004年，当时ASP为0.60美元，而 2020年仅为0.32美元。
在IC Insights跟踪的主要应用市场中，模拟芯片都将在2021年实现两位数的增长。预计汽车专用模拟细分市场今年将增长31 %;无线通信专用模拟市场增长28%;消费电子应用市场的模拟芯片将增长25%。
IC Insights统计的2020年TOP 10模拟芯片厂商的销售额总计为354.49亿美元，约占全球模拟芯片总销售的63%。其中TI占比19%，稳坐头把交椅;ADI和美信分别为9%和4%，合并后占比为13%，距离TI更进一步;以射频器件为核心业务的思佳讯(Skyworks)占比7%;合并赛普拉斯后的英飞凌占比7%。全球模拟芯片市场格局相对稳定，短期内不会有太大变化。
又据IDC统计，中国模拟芯片市场约占全球市场的36%。ASPENCORE旗下《国际电子商情》综合多家市调机构数据推算出，2020年中国模拟芯片市场规模为197.1亿美元，2021年将突破200亿美元，达到213.42亿美元(约合人民币1361.9亿元)。然而，中国半导体行业协会指出，截至2020年年底，中国模拟芯片的自给率仅为12%左右，国产模拟芯片总体规模约为163亿人民币。
以上数据显示，国产模拟芯片在全球市场占比仍较小，但市场增长潜力很大。全行业芯片短缺和汽车电子市场的增长将为国产模拟芯片厂商带来难得的发展机遇。
未来模拟技术研究方向
与数字电路相比，模拟电路有如下劣势和挑战：
噪声。在模拟电路中，由于信号几乎完全将真实信号按比例表现为电压或电流的形式，它对噪声比数字电路更加敏感，信号的微小偏差都会表现为相当显著，造成信息损失。而对信息进行量化的数字电路对于噪声的抵御能力比模拟电路要强，只要偏差不大于某一规定值，信息就不会损失。
精度。有很多因素会影响信号的精度，其中最主要的是原始信号中的噪声以及信号处理过程中混入的噪声。模拟信号的分辨率受到器件物理层面限度(例如散粒噪声)的制约。在数字电路中，可以采用增加信号的位数来提高数字信号的分辨率，转换位数是模数转换器(ADC)的一项关键参数。
设计的难度。模拟电路的设计通常比数字电路更为困难，对设计人员的技术水平要求更高。模拟电路需要更多的手工操作，其设计过程的自动化程度低于数字电路。然而，数字电子设备要在真实物理世界中得到应用，就必须具有模拟接口，因为自然界的大多数实际信号是模拟的。
以下列出几个模拟技术的研究和发展方向，供感兴趣的朋友参考。
模拟ICT系统
2016年，传感器采集的数据量已经超过人类能够消耗和处理的数据量。预计到2032年全世界将有45万亿个传感器，采集数据量约为10^20 bit/s，而全部人类可以感应的数据量约为10^17 bit/s。我们的大脑对数据的消化和处理速度只有100bps，专家认为传感器采集的数据需要100,000:1的压缩率才能被人类大脑认知和推理，并从中获取有价值的信息。
一个根本性问题是，模拟电子的创新如何能够帮助当今先进的计算和信息处理系统。这不但要求优良的器件性能、高效的信号处理和电路结构，而且要保持能耗与高增益和低噪声等高精度性能指标的优化平衡。
模拟ICT系统的未来应用研究方向包括：为6G无线网络、数据中心和远程医疗提供更高的带宽;需要更快模数转换器的宽带雷达波束形成器等。例如，未来的模拟设计迭代将在三个方面进行。首先是更好的模数转换，它可以采用过采样和量化技术绕过带宽受限的模拟信号问题。二是通过压缩采样(CS)将稀疏模拟信号中的信息转换为数字数据。三是在机器学习的帮助下，对模拟信号进行特征提取。
智能传感器：从感应到行动
大部分传感器都是从物理世界接收模拟输入信号，要将这些信号数字化就会产生大量原始数据。要解决的问题在于如何、何时与何地处理这些数据，以获取有用信息、识别模式、做出决策，并采取行动。
针对这些海量数据，需要考虑两个关键问题：1. 消化和有效利用这些来自传感器的数据以用于智能社会;2. 有效地处理数据以便采取适当的行动。要生成可行的输出结果，就需要系统知识，而且要为所有系统组件添加智能元素，从传感器本身到模拟信号处理，以及可能的模拟和数字域神经处理。
从感应到行动的系统流程示意图如下所示，所面临的挑战包括：
万亿级的传感器会产生大量冗余和无用的数据;
云端平台不是解决办法，因为通信是瓶颈，没有足够的电能来处理这些冗余数据，对于本地控制和行动来说延迟太长;
智能传感器需要本地驱动和及时行动。
要关注的研究方向包括：
•智能传感器和传感融合—多传感器分布式智能
•应用和系统知识的研究
•分层和分布式优化
•通用性模拟技术的研发—可以应用到其它领域
•系统优化方法—跨越传感器、模拟处理、数字处理、ML和检测等技术领域。
太赫兹和光电领域的模拟技术
频率范围从300 GHz到3 THz及以上的电磁波被归类为太赫兹波，其短波长有很多优势可以利用。对通信来说，可以实现更好的空间多路复用和并行信道处理。尤其重要的是，这一频段的超大带宽可用于无线有线通信。对成像应用，可以获得更高的空间分辨率，实现穿墙成像、非破坏性制造缺陷检测、以及在视线不好的环境中实现自动驾驶/导航。但是，高频会引起很多问题，包括器件、互联、功耗、线性度、噪声，以及天线接口、封装、干扰和信号处理等。太赫兹领域的模拟技术研究专注于模拟器件、电路和系统方案，主要包括如下几个方面：
1.太赫兹芯片和应用。CMOS芯片在100 GHz 到2-3 THz的高频阶段就难以正常工作了，其它材料构建的晶体管研究成为热门，比如SiGe, InP HBT, InP HEMT和GaN。
2.面向太赫兹成像、感应和通信应用的CMOS平台。要用CMOS技术实现高性能太赫兹电路确实比较困难，采用45nm工艺制造的NMOS晶体管的最高单位电流增益频率(ft)约为280GHz，而其最大单位功率增益频率(fmax)约为320GHz。晶体管顶部金属层的互联会大大降低性能，因为会引入寄生电容、电阻和电感。即便如此，肖特基二极管和MOS变容二极管等器件的非线性特性仍然可以在太赫兹频段使用。
3.汽车和工业雷达。工作于77GHz频段的汽车雷达的高分辨率现已集成进自动驾驶控制算法，可用于实现盲点检测(BSD)、自适应巡航(ACC)、换道辅助(LCA)、横穿交通告警(CTA)，以及自动紧急刹车(AEB)等。虽然高频可以实现小尺寸和高分辨率，但却会降低信噪比(SNR)，对输出功率、天线增益和噪声系数等指标都有负面影响。
4.模拟波束成形天线。5G模拟波束成形天线阵列必须准确设计，以确保从中心馈送点到每个天线的相位和损耗都相同。这就要求必须评估毫米波通信是否值得采用这些相位密集的阵列。相关的技术挑战还有IC制造、测试和封装。
边缘端的模拟机器学习
虽然机器学习将成为提高系统计算性能和运行更复杂算法的主要驱动力，但也将极大增加系统设计的复杂度，机器消耗的电能也会随之上升。例如，神威·太湖之光超级计算机可以获得高达93 petaflops(千万亿次浮点运算)的性能，但却要消耗15371 兆瓦(MW)电能，足够为一座小镇供电了。与此相反，人类大脑却是一种最为高效的计算系统，只需要消耗20W的电能就能获得38 petaflops的计算性能。大脑复杂的结构带有相互交织的记忆单元，可以极为简单的模拟和数字操作形式进行“计算”。因此，在边缘进行训练可以适应本地情况，带来能效、速度和面积等好处。
模拟存储的存内计算技术是边缘计算的主要研究方向。由于通信带宽的局限和安全/隐私的担忧，不能将所有数据都传送到云端，边缘计算可以直接分析传感器在各种边缘位置采集的数据。这些来自传感器的数据在被处理之前必须经过ADC转换，在边缘端利用模拟技术进行机器学习可以解决能效、设计复杂度和尺寸受限等问题。例如，在边缘端进行AI推理可以大大压缩被送往下游的信息量，而边缘端的AI训练也可以带来很多新的功能特性，比如实时适应本地条件，从而大大降低能耗，并极大提升数据传输和处理速度。
任何类脑神经网络，甚至许多机器学习的主要运算就是向量矩阵乘法 (VMM)。这样的操作可以使用模拟电路非常有效地实现，其实就是利用基本的欧姆定律和基尔霍夫定律。这个电路的主要组成就是一个模拟存储单元，它具有可调节的电导率G，用于交叉开关阵列的每个交叉点，可以模仿生物突触。基于这种密集型模拟存储单元的VMM电路可以做到非常紧凑，
达到卓越的速度和能源效率。此外，这种模拟VMM 电路还可以在芯片上就地存储所有数据，从而大大减少数据通信开销。目前典型的数字系统都需要频繁地将数据移入和移出片外存储器，因此许多机器学习/神经拟态计算既是计算密集型的，又是数据密集型的。
Top 10模拟芯片
ASPENCORE旗下《电子工程专辑》分析师团队从模拟芯片的信号链器件类别中精心挑选出10个有代表性的芯片型号，供工程师朋友设计参考。我们从5家国际模拟芯片厂商的信号链产品库各挑选一款，又从国产模拟芯片厂商的信号链产品组合中个挑选一款，共同组成“中国工程师最喜欢的10大模拟芯片”，请在文末的微信投票中评选出您最喜欢的厂商和芯片型号。
Top 5国际模拟芯片
lTI 精密ADC ADS125H02
ADS125H02 是一款 ±20V 输入、24 位、Δ-Σ 模数转换器 (ADC)。该 ADC 配备低噪声可编程增益放大器 (PGA)、内部基准电压、时钟振荡器和信号或基准电压超范围监控器。与分立的解决方案相比，该产品将一个宽输入电压范围、±18V PGA 和 ADC 集成到单个封装中，可将电路板面积减小50%。
该 ADC具有 0.125 至 128 的可编程增益(相当于 ±20V 至 ±20mV 的等效输入范围)，因而无需外部衰减器或外部增益级。1GΩ 的最低输入阻抗可减小由传感器负载导致的误差。由于具备低噪声和低漂移性能，因而能直接连接桥、电阻式温度检测器 (RTD) 和热电偶传感器。数字滤波器可减弱数据速率 ≤ 50SPS 或 60SPS 时的 50Hz 和 60Hz 线路周期噪声，以减小测量误差。滤波器还可提供无延迟转换数据，从而在通道定序期间实现高数据吞吐量。
ADS125H02 采用 5mm × 5mm VQFN 封装，额定工作温度范围为 –40°C 至 +125°C。
ADI 精密仪表放大器LT6372-1
LT6372-1是一款增益可编程、高精度仪表放大器，具有出色的直流精度。如此高的精度可以检测到较小的信号，并简化了校准要求，尤其是在整个温度范围内。LT6372-1将特性集成到LT6370中，从而进一步提高了精度并简化了与ADC的接口。
该放大器使用专有的高性能双极性工艺，该工艺实现了出色的精度以及长期稳定性。它还进行了激光微调，以实现非常低的输入失调电压(60µV)和高CMRR(86 dB，G = 1)。专有的片内测试功能可通过自动测试确保增益漂移(35 ppm /°C)。
LT6372-1的差动放大器采用分离基准配置，简化了放大器输出到ADC输入范围中心的电平转换。还提供输出箝位引脚，以限制可施加到ADC输入的电压。它在输入上集成了EMI滤波，以在出现严重RF干扰时保持精度。
LT6372-1集成在MS16E内或采用20引脚3mm × 4mm QFN封装，完全适应–40°C至85°C以及–40°C至125°C温度范围。
LT6372-1的应用包括：桥式放大器、数据采集、热电偶放大器、应变计放大器、医疗仪器、传感器接口、差分到单端转换等。
安森美精密运放NCS333
NCS333 是一款精密运算放大器，具有极低输入偏移电压(最大 10 µV)和随时间和温度的近零漂移。这一高精度、低静止电流放大器具有高阻抗输入以及超过轨 100 mV 的共模范围，以及 50 mV 轨内的轨对轨输出摆幅。NCS333 具有从 1.8 V 到 5.5 V 的宽电源范围(对于双电源则为 ±0.9 V 到 ±2.75 V)，以及卓越的CMRR，且不会出现传统互补输出级常见的交叉。
该放大器用于驱动模拟-数字转换器 (ADC) 而不会出现差分线性性能下降。它采用紧凑的 SC70−5 和 SOT23−5 封装，规定运行温度范围为 −40°C 到 +105°C。NCV333 是汽车认证型号，采用 SOT23−5 封装，规定运行温度范围为 −40°C 到 +125°C。
其应用包括：电流感应、温度测量、传感器信号调理等。适用于如下终端产品：电池供电的仪器、电子秤、医疗仪器和照明等。
NXP汽车音频放大器TDF8546
TDF8546是适合汽车电子应用的新一代互补四通道桥接式负载(BTL)音频功率放大器。该器件具有最佳效率模式，采用完整的I²C总线控制诊断，包括启动诊断。TDF8546可在电源电压低至6 V时工作，因此该放大器适用于启动/停止汽车操作。
为降低功耗，全新的最佳效率原则在所有四个通道上都使用音频信息而并非只是使用前(后)置信号。用于前后相关的音频信号时，功耗比标准BTL少65 %以上。用于前后不相关(延迟)的音频信号时，功耗比标准BTL少35 %以上;使用前(后)置信息时，对于不相关音频信号则少17 %。
该放大器在基于绝缘硅(SOI)的BCD工艺中采用互补DMOS输出级。DMOS输出级可确保具有完美音质的高功率输出信号。基于SOI的BCD工艺可确保强大的放大器不会发生闩锁，并且四个独立通道之间分离情况良好，每个组件隔离且没有基板电流。
其功能特性如下：随时停止/启动汽车：发动机启动期间(电池电压低至6 V时)继续运行而无音频干扰;全新的最佳效率模式，具有低开关失真;极端最佳效率模式(使用来自4个通道的信息)，与2通道最佳效率模式相比，不相关信号的功耗减少17 %;工作模式为传统(非I²C总线)模式或I²C总线模式(符合3.3 V和5 V标准);四个硬件可编程I²C总线地址;可以驱动2Ω和4Ω负载;扬声器故障检测;具有负载检测功能的启动诊断：开路、短路、存在;专为关门和振动继电器而滤波;采用高/低电流模式的交流负载(高频扬声器)检测;无音频干扰启动后的增益选择;前后通道的独立可选软静音;可编程增益(26 dB和16 dB)，可针对前后通道独立编程;线路驱动器模式支持电池电压低至6 V(16 dB和中心抽头电压0.25 VP)时发动机启动;可编程削波检测：2 %、5 %或10 %;可编程热预警;STB引脚可以使用第二削波检测进行编程/复用;每个通道的削波信息可以分别指向DIAG引脚或STB引脚;DIAG引脚上热故障、削波故障或负载故障信息(负载两端短路或与VP短接或与地短接)的独立使能;可防止接地失效和开路VP(所需的串联电阻最少);所有放大器输出都具有短路保护功能，可防止与地短接、与电源电压短接以及负载两端(通道独立)短路;所有引脚都具有短路保护功能，可防止与地短接;可防止高结点温度下漏音的温度受控增益降低;可实现7.5 V或6 V最低电池电压操作的可编程低电池电压检测;过压保护(可防止负载突降，最高可达VP = 50 V)，在16 V时会启动过压预警;偏移检测。
Skyworks宽带功率放大器SKY77765
SKY77765 SkyHi功率放大器模块(PAM)是完全匹配的10焊盘表面贴装，用于宽带码分多址(WCDMA)应用的模块。这个小小的高效模块将完整的815-849 MHz带宽覆盖范围集成到一个紧凑的封装中。
由于在整个功率范围内获得高效率，SKY77765可提供很好的通话时间优势。它可满足严格的光谱线性要求的高速下行链路分组接入(HSDPA)，高速上行链路分组接入(HSUPA)和长术语演进(LTE)数据传输具有高功率附加效率。集成方向耦合器消除了对任何外部耦合器的需要。
SKY77765采用Skyworks的InGaP GaAs异质结双极晶体管(HBT)制造， 具有如下功能特性：低电压正偏置电源3.2V至4.2V;线性好;高效率：28.25 dBm时为50%;动态范围大;
小而薄的包装：3 x 3 x 0.9 mm，10焊盘配置;掉电控制的InGaP支持低集电极电压工作;
数字启用;不需要VREF;CMOS兼容控制信号;集成方向耦合器。
Top 5国产模拟芯片
圣邦微高精度仪表放大器SGM620
SGM620是一款基于先进的高压BCD模拟IC工艺及设计技术的轨到轨输出高精度仪表放大器芯片。它可以采用4.6V至36V的单电源供电或+/-2.3V至+/-18V的正负电源供电。其最大输入失调电压小于150µV，温漂典型值为1µV/℃，输入电压噪声6nV/sqrt(Hz) @ 1kHz。
SGM620对标国际主流的经典仪表放大器产品(AD620)，并在噪声密度等指标上具备一定优势。电子秤和传感器接口等精密数据采集系统通常会用到仪表放大器调理模拟信号，大都采用ADI的AD620，SGM620可作为国产化替代方案。
SGM620在输入偏置电流、放大增益、封装等参数与AD620基本一致，但功耗、输入电压噪声和电源电压范围等指标都优于AD620。尤其是SGM620电源电压范围更宽，可以适应更多的系统应用;电压噪声和非线性指标更好，提高系统抗干扰性和信号放大精度;工作电流减小近三分之一，可以降低系统功耗，提高长期可靠性，两者封装同为SOIC-8。
思瑞浦模拟前端芯片TPAFE0808
3PEAK(思瑞浦)面向工业、通信等应用推出的小体积、集成多通道可配置模数和数模转换器模拟前端芯片TPAFE0808内置8通道12bit ADC、8通道12bit DAC、片内参考电压及温度传感器。其尺寸低至2x2mm，非常适宜用在需要多通道模拟外设且要求小体积的产品上，比如通用模拟和数字I/O、多通道控制和监控、光模块等。
TPAFE0808共有8个输入/输出通道。这些引脚可独立配置为 DAC、ADC 或通用数字输入输出口(GPIO)。每个引脚的功能是通过对配置寄存器中的相应位进行编程来确定的。它带有串行数据线及串行时钟线，支持标准的I2C接口。
TPAFE0808采用16脚MIS 3x3，或16球WLCSP封装，工作温度范围为−40°C to +125°C。
川土微数字隔离器CA-IS372x
CA-IS372X是一款高性能 2 通道数字隔离器，具有精确的时序特性和低电源损耗。在隔离 CMOS 数字 I/O 时，CA-IS372X器件可提供高电磁抗扰度和低辐射。该系列所有器件版本均具有施密特触发器输入，可实现高抗噪性能。每条隔离通道的逻辑输入和输出缓冲器均由二氧化硅(SiO2) 绝缘栅隔离。
CA-IS3720 器件具有两个前向双通道，CA-IS3721 一个前向一个反向两个通道， CA-IS3722 和CA-IS3721 通道相反，具有一个反向一个前向两个通道。所有型号都具有故障安全模式选项。如果输入侧电源掉电或信号丢失，对于后缀为 L 的设备，默认输出为低，对于带有后缀 H 的设备，默认输出为高。
CA-IS372X器件具有高绝缘能力，有助于防止数据总线或其他电路上的噪声和浪涌进入本地接地端，从而干扰或损坏敏感电路。其高 CMTI 能力可保证数字信号的正确传输。CA-IS372X器件采用 8 脚窄体 SOIC，8脚宽体SOIC 和 16 脚宽体 SOIC 封装。所有产品均具有3.75kVrms 的隔离额定值，宽体封装的产品支持绝缘耐压高达 5kVrms。
其应用包括：工业自动化、电机控制、医疗电子、隔离开关电源、太阳能逆变器、隔离 ADC, DAC等。
艾为Digital Smart K音频功放AW88195CSR
艾为Digital Smart K系列音频功放支持数字输入，抗输入干扰能力强，具有低系统噪声的优点。该产品系列可实现电压与功能全范围覆盖，目前已广泛应用于智能硬件、智能手机、平板等电子设备。
AW88195是一款I2S/TDM输入、高效率数字Smart K音频放大器，内置10.25V智能升压转换器和SKTune扬声器保护算法。其12uV噪声电平和超低失真性能可以保证清晰的听觉效果，在1% THD+N 下，其输出功率为5.3W，可以驱动8Ω扬声器。
艾为Digital Smart K具有如下优势：覆盖全系列平台，拥有DSP/NO-DSP产品;
高效率(艾为Digital Smart K全系列都拥有80%以上的效率表现，比肩欧美友商产品);
低功耗(搭配Tracking Boost技术，极大地延长使用时间);
效果出众(搭配艾为自主开发的SKTune V3神仙算法，可以实现更好的音质表现)。
SKTune“神仙算法”是一套完备的“音频全流程解决方案”，包含艾为音效算法和喇叭保护算法，这是艾为电子满足高端产品需求研发的重要成果，旨在为用户带来极致听音体验。
聚芯微电子智能音频功放SIA810x
SIA810X系列是聚芯研发的模拟输入智能音频功放芯片，集成了振幅保护、温度保护和升压模块，具有高性能、小尺寸、简单易用等特点。该产品配合聚芯自研的Sound Intelligence音质增强和喇叭保护算法，可提供业界一流的听音体验及品质保障。这种算法方案具有低MIPS、易集成等特点，在高通和MTK平台均可提供一站式的软件系统集成方案。
其系统级双Layout设计及管脚定义，可兼容市场上主流模拟音频功放产品。SIA810X系列采用WLCSP晶圆级芯片封装方式，最大限度降低了芯片尺寸，并有效提升了数据传输的速度与稳定性。
其功能特性包括：自适应高压升压模块，提供10V/4.1WRMS @8ohm喇叭(Boost)或8.4V/2.8WRMS @8ohm喇叭(Charge pump)的强劲动力输出;集成喇叭振幅及温度保护模块;自研Sound Intelligence音质增强及喇叭保护算法;4.2V输入8Ω负载，效率高达79%。
其应用包括：智能手机、平板电脑、智能音箱、益智玩具等。
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