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（原标题：模拟芯片历史归来：一些你可能不知谈的故事）🔥买球·(中国大陆)APP官方网站

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数字电路和线性（模拟）电路可能是电子电路中最昭着的分界线。从真空管到晶体管，再到集成电路，基于开关（二进制和数字信号）和放大（模拟信号）的电路一直是电子系统的中枢。尽管电子本领使咱们的宇宙变得愈加数字化，但施行宇宙仍然毅力地保留着模拟信号。用于王人集传感器和驱动扩张器、放大（幽微）模拟信号、通过模拟信号处理垄断这些信号，以及最终将其转机为数字域和反之也是的电路，昔时、现在和将来都是电路缠绵的基础推测和开采范畴。

由于该范畴范围等闲，从射频电路、电源经管、基准生成、滤波器缠绵、回荡器到比较器和其他非线性电路，不一而足，一篇不祥的驳倒文章光显不可能说起悉数主题，更毋庸说涵盖悉数主题了。因此，咱们作念出了采取。本文从放大器开动，因为放大器是决定系统性能的要道模拟构件之一。

咱们简要归来了基于集成电路的放大器的早期发展，以及放大器缠绵中一些凸起的电路创新。随后，咱们重心先容 ADC 的历史和本领近况、其架构以及四十年来的着力改进。终末，咱们归来了传感器接口，开始重心先容了传感器接口的历史和各式传感器模式的本领近况，其次重心先容了神经放大器配景下用于生物电位记录的生物医学接口电路。

通过这些不同的主题，咱们倾向于强调晶体管和模拟集成电路对现辞宇宙的艰苦性。

放大器

放大器是悉数模拟电路的基石，因为它们用于信号调度和处理、低噪声应用、ADC 等。天然第一个基于集成电路的运算放大器（OA）--Widlar 的 ?A702 也曾有两级，但无处不在的 ?A741 却成为早期基于 PCB 缠绵的主力。它有两个级，一个差分输入级和一个 AB 类输出级。如图 1 所示，其 CMOS 等效器件仍在使用，但常常用 CMOS 反相器取代信号旅途中的单晶体管。

放大器是全差分的，因此需要一个共模回馈电路。米勒抵偿电容器 (CM：Miller compensation capacitor) 设定放大器的 GBW 乘积，并确保相位裕度。斩波用于松开偏移和 1/f 噪声。然则，这种经典缠绵的功率着力很低。因此，在昔时几十年中，为了缩小达到给定速率所需的功率，东谈主们建议了很多其他缠绵，如前馈、多级、正反馈和动态架构。

使用单级绕过双级放大器称为前馈，而使用双级放大器绕过单级放大器称为增益增强。不外，这两个术语描述的电路基本换取！前馈引入了一个左平面零点（left-plane zero），通过对消一个非显性绝顶来确保踏实性 。与米勒抵偿比拟，前馈放大器的着力可松驰擢升两到三倍。

使用负阻抗或正反馈不错齐全更高的着力。负电容用于扩展射频放大器的带宽由来已久，而负电阻则被用于 OA。如图 2 所示，将负电阻（M3 , M4）王人集到输入对（M1, M2）的源极，可在功耗换取的情况下增多跨导和 GBW 。负电阻也不错王人集到对称或负载抵偿放大器输入级的负载上 [5]。它们还可用于对消偏移和增益不及，因此是高性能放大器的保举构件。

多级放大器还能大大缩小功率。在三级放大器中，第二级用于创建零点，对非主绝顶进行抵偿。图 3 中的三级放大器[7]齐全了二阶绝顶-零点抵偿：跨导值 gmt 常常是 gm2 的两到三倍。因此，在缩小第二级功耗的同期，仍可取得比传统嵌套式米勒三级放大器大要 40 倍的 GBW，从而齐全放大器 FOM . 四级放大器中间级更复杂的有源滤波器可产生更惊东谈主的 FOM = 96,000 MHz $ pF/mA 。

在采样数据系统中，使用动态放大用具有上风，因为它们只允许使用所需的带宽，从而在给定噪声条款下最大阻挡地缩小功耗。如图 4 所示，常常使用换取的电路建树，也在悉数偏置分支中使用开关。另一种类型是浮动逆变器动态放大器，在这种放大器中，切换的是重叠电压而不是放大器。这么就能以有限的功耗提供相宜的偏置。

通过使用更高效（如 AB 类）的放大器拓扑结构，还能进一步省俭多数功耗。此外，C 类和环形回荡器放大器也能提供更好的功耗省俭。尤其是 D 类放大器，其输出确立在高频率下切换，不错在极低的失真水平下提供接近 100% 的功率着力，常常用于音频应用中。

数据转机器

放大器的这些创新暧昧了数字和模拟电路实施之间的界限，这就引出了本简要驳倒的第二个主题，即模拟数字接口，即数据转机器。数据转机器是模拟信号链中的终末一个或第一个形式，具体取决于信号经过。 尽管 DAC 在电子系统中也阐发着艰苦作用，但由于 ADC 种类更多，知名度更高，况兼险些悉数 ADC 也都继承了里面 DAC，因此咱们仅对 ADC 进行简要的历史归来。由此，咱们不错窥见自集成 ADC 初次出现以来 40 多年的结构创新和性能演变。Walt Kester 撰写了一册额外完好意思的手册，其中包括对数据转机器的多数历史概述，感好奇的读者可参阅。

早在集成电路出现之前，东谈主们就对量化和 ADC 的基本旨趣进行了探索、推测、央求专利和出书著述。其中最著明的作品有 Howard 建议的追踪 ADC 、Inose 建议的三角积分调制器 (DSM) ，以及 Kaiser 的 SAR ADC 。

然则，在第一批集成电路出现一、二十年前，就有东谈主建议了闪存、子量程、活水线、计数、斜率、电压-频率转机和其他 ADC 架构。这些早期的齐全都基于真空管（举例，1954 年重新租用的第一个商用 SAR ADC），而在集成电路发明之后，这些齐全都基于分立晶体管。但直到 20 世纪 70 年代初，才出现了基于集成电路构件的羼杂式和模块化 ADC，以及统统集成的数据转机器。

其中有两个值得驻守：1978 年，Paul Brokaw 缠绵了第一款完好意思的单片 SAR ADC，包括基准生成，以 40 MS/s 的速率达到 10 b；1977 年，van der Plassche 缠绵了一阶 DSM，以 200 kHz 的时钟频率达到 6 b，包括自动归零，这两款家具都继承了bipolar本领。

20 世纪 80 年代是很多应用高速发展的时间，1988 年出现了第一个商用单片 16-b DSM。数据表上开动出现更翔实的规格，如 SNR、SNDR、ENOB、SFDR、孔径抖动等。天然集成电路本领的改进以及电路和系统推测主要决定了本领的高出，但新的专有旨趣仍在约束被发现。举例，时候驱逐 ADC 的宗旨于 1980 年建议，而增量、MASH 和带通 DSM 则是在 20 世纪 80 年代末发表的。将不同的 ADC 旨趣组合成创新的羼杂体式于今仍在鼓动创新，举例在活水线 ADC 或 DSM 中使用 SAR 或使用基于 VCO 的量化器并将其纳入 DSM 。此外，使用 DSP 来立异模拟电路的非理思性现在已无处不在。

跟着时候的推移，已罕有以千计的 ADC 缠绵问世，因此对其性能进行详尽分析已成为一个备受护理的课题。模数转机器可能是悉数电路构件中最完善的，其 FOM 是最艰苦的。最常用的两种方法是 1994 年建议的 Walden FOMW ，以及 Richard Schreier 于 2005 年描述的 Schreier FOMS ，但这其实早在 1997 年就已建议。如今，Boris Murmann 的性能看望涵盖了自 1998 年以来悉数 IEEE 国外固态电路会议 (ISSCC) 和 IEEE 超大范畴集成电路本领和电路筹商会的终局，险些被所罕有据转机器出书物遍及援用。图 5 表示了昔时 40 年中论述的最好 FOMW。

令东谈主惊叹的是，由于本领升级和电路创新，40 年来论述的最好 ADC 着力险些擢升了六个数目级。然则，最好论述的 FOMW 似乎也曾饱和，咱们也不错预思，创记录的 FOMS 也将很快跟进。仔细不雅察数据不错发现，最好 FOMS 是在有限的几类架构中取得的：中瓜折柳率/速率 SAR 取得了最好 FOMW，而高折柳率低带宽噪声整形 SAR 和羼杂 SAR + DSM ADC 取得了最好 FOMS。这强调了一个事实，即单一数字并不成说明全部问题，因此应在换取应用的 ADC 之间进行 FOM 比较。

此外，在论述 FOMS 时，校准引擎、抽取滤波器以及输入和参考缓冲器所破坏的功率常常被忽略。运气的是，数据转机器界对此有很好的清爽，因此东谈主们越来越护理转机器的易驱动性、隐式滤波、更好的免校准线性度等，而不单是是创下新的 FOM 记录。

在昔时十年中，不错不雅察到 ADC 的几大发展趋势。

开始，SAR ADC（主要由其在按比例 CMOS 中的不凡着力驱动）已变得无处不在，从最高能效到最快速率的时候交错 ADC 都能找到它的身影；噪声和失配误差整形的使用暧昧了与 DSM 的区别，在最新本领水平中，它们常常被用作 DSM 轮回的量化器。

其次，不错找到带宽惊东谈主的 DSM，尤其是基于 CT 环路滤波器的 DSM，它们具有固有滤波功能，更易于驱动，带宽达数百兆赫兹，线性度致使越过 100 dB。跟着带宽的扩大和孔径不笃定性的显耀改善，奈奎斯特 ADC 的带宽已达数百兆赫兹，折柳率越过 10 b。

终末，基于时候的量化本领收货于本领的扩展，目下已成为低（或中）折柳率 ADC 或当作高折柳率 ADC 一部分的最省俭面积的科罚决议。

智能传感器接口

昔时几十年来，径直与传感器和感应器王人集的 ADC 越来越受到护理。由此，咱们干涉了智能传感器接口范畴。如今，传感器遍布咱们的家庭、汽车和手机。这些传感器大多是 "智能 "的，因为它们与放大、线性化和将幽微的模拟输出转机为踏实的数字数据所需的悉数接口电路集成在沿途。通过奥妙地运用硅的特点，智能传感器不错测量各式物理气象，如光、力、热和磁场等。

晶体管和集成电路的发明促进了对半导体特点的等闲推测。东谈主们很快发现，半导体不仅不错用来制造电路，还不错用来制造传感器。20 世纪 60 年代，压力、应力、温度和磁场传感器在 ISSCC 上发表了论述。随后是图像传感器，从 CCD 开动，随后是 CMOS 图像传感器，CMOS 因其较低的制形资本而成为主流本领。东谈主们还发现，BJT 的明确特点可用于齐全精准的电压基准和温度传感器。另一项要紧发展是运用微加工本领制造微机电系统 。这马上齐全了带有迁徙部件的传感器，如压力传感器、加快度计和陀螺仪。

早期的硅传感器常常输出较小的模拟信号，然后由外部电子确立进行放大、处理和数字化。但到了 20 世纪 70 年代，单片放大器的出现意味着放大和滤波不错在芯片上完成。率先，微调 BJT 放大器用于齐全低偏移和 1/f 噪声。很快，动态误差减少本领（如斩波和自动归零）的使用使 CMOS 放大器也能齐全肖似的性能。此外，通过使用 DEM，增益（或比率）误差可缩小到 ppm 级。这些本领的各式组合，如自动归零和斩波、嵌套斩波(nested chopping)以及 DEM 和斩波]，使得放大用具有纳伏级偏移和 ppm 级增益误差/线性度。

智能传感器发展的下一步是开采与外界王人集的执意接口。20 世纪 80 年代，传感器常常继承频率和占空比调制器。通过对两电平信号转机时序中的模拟信息进行编码，此类调制器不错输出与微处理器兼容的信号，而不会阻挡传感器的折柳率。然则，随后转机为高折柳率数字数据需要一个低抖动的高频参考时钟。此外，由于莫得范例化，因此每个传感器都需要我方特定的信号链。

跟着单片 ADC，额外是 DSM 的发展，这一切都发生了改动。后者大概以速率换折柳率，这意味着传感器相对较慢的输出不错在芯片上进行数字化，而不会阻挡其折柳率。反过来，芯片数字化又使智能传感器大概通过范例数字总线和合同与外界通讯。这使它们更易于使用，并使它们大概当作具有明确规格的孤苦构件在市集上销售。此外，它还使大部分所需的片上信号处理（滤波、微长入线性化）大概在数字域中活泼、精准地完成。

为了缩小资本，东谈主们长途于开采与 CMOS 兼容的传感器，这些传感器不错与其接口电子器件集成在归并芯片上。然则，除了一些例外情况（热传感器和磁场传感器），这种方法对传感器的性能形成了太多阻挡。如今，大多数智能传感器都继承双芯片方法，即在一个芯片（或基板）上继承优化的制造工艺齐全传感器，而在另一个芯片上齐全 CMOS 接口。这种方法还成心于在单个封装中集成多个传感器（见图 6）。

在传感器和电路创新的鼓动下，智能传感器自 20 世纪 80 年代以来取得了长足的高出。基于 BJT 的温度传感器即是一个很好的例子。图 7 运用 Kofi Makinwa 在线看望中的数据绘图了其精度和能效的演变过程。天然它们的精度现在似乎也曾趋于踏实，反馈了工艺扩散和校准资本所带来的阻挡，但它们的能效却擢升了近四个数目级，反馈了接口电子器件的改进。其他类型的智能传感器也有肖似的发展趋势。

昔时二十年来，智能传感器的发展主要受迁徙确立和汽车应用需求的驱动。然则，现时物联网的发展趋势鼓动了自主智能传感器的发展，即不错运用环境动力供电、因此不需要电板的能量集结传感器。传感器会通是另一个主要趋势，这种缠绵将多个传感器和土产货智能相团结，以齐全更好的性能。

生物医学传感器接口

前边商酌的传感器接口的共同点是与传感器团结在沿途，而生物医学传感器接口则与生物信号源邻接。由于晶体管和集成电路的发明以及本领的扩展，电子本领得以应用于昔时从未见过的范畴，因此本综述的终末一部分将先容生物医学传感器接口。电生理学推测生物细胞和组织的电特点，对了解东谈主体功能起着至关艰苦的作用。它不仅触及电压变化、电流和生物阻抗的测量，还触及在不同步伐上对生物组织的操作。电生理学的发祥不错追猜度路易吉-加尔瓦尼（Luigi Galvani）的草创性推测，他在 1791 年发现，施加电流不错激活死蛙的肌肉。这引发了东谈主们对 "生物电 "宗旨的推测，并最终开采出记录组织致使单个细胞的渺小电流和电位的仪器。

晶体管和集成电路发明朗，新兴的模拟电路缠绵本领被用于开采更先进、袖珍化和可植入的生物医学接口。1958 年，阿克-森宁（Ake Senning）发明了第一个植入式腹黑起搏器，这是一项极具影响力的早期后果。20 世纪 70 年代，集成电路传感放大器、数字逻辑和无创电子阻挡的引入极地面改进了这一本领。归并年代，Kensall Wise 报谈了使用植入式微电极记录大脑生物电位的草创性职责。这些发展为当代硅神经探针奠定了基础。

如今，当代电生理学本领不错精准测量来自腹黑、大脑、神经和肌肉的生物电位。额外是，可穿着式腹黑监测仪已越来越受接待，尤其是用于对心血管疾病患者的永恒监测。集成电路和本领扩展使各式生物医学确立成为可能，包括感官假体植入（如耳蜗和视网膜植入）、清爽假体（如阻挡机械臂）、脑起搏器（即脑深部刺激器）、葡萄糖传感和胰岛素运输等。

这些生物医学应用中有很多需要特意的读出电子确立来获取高信号质料的生物电位。如图 8 所示，低噪声、高输入阻抗、高共模遏抑比和大差分输入范围以幸免清爽伪影形成的饱和[38]，关于可靠和准确的可穿着读出系统至关艰苦。此外，要齐全合理的电板寿命，还需要额外低的功耗。常常，全差分高输入阻抗样子放大器（IA）用于放大生物电位信号。由于仪器放大器的特点决定了读出链的举座性能，因此东谈主们建议了很多电路本领来温和上述条款，即使在电极极化电压产生较大直流偏移和低频漂移的情况下也能齐全。为了减少共模过问，常常会使用第三个电极，通过一个称为 "right-leg drive "的主动反馈回路将肉体偏置为直流电压。

使用植入式探针进行神经记录已成为测量单细胞水平神经电活动的流行方法 。硅探针具有精准的柄形、精准的制造工艺、自动化才调以及与 CMOS 电路集成等上风。图 9 展示了一个统统集成的 CMOS 探头。神经记录电路必须应答多项挑战，包括神经信号幅度小、信号频率低、电极偏移、电极阻抗高以及需要高密度神经接口。目下常用的神经读出架构有两种：一种是传统架构，包括一个增量耦合放大器和一个模数转机器；另一种是径直数字化方法，在模数转机器环路中合并了一个输入跨导级。

在 初次建议的传统架构中，交流耦合可有用拦阻电极偏移，而高阻抗伪电阻则用于树立 IA 输入节点的直流偏置。交流耦合电容器必须填塞大，以提供填塞的增益，但也不成太大，以免交流输入阻抗过度恶化。IA 中不错使用不同的放大器架构，其中折叠级联和基于逆变器的 OTA 最受接待。需要优化多路复用比，以科罚 ADC 偏激前置驱动器所需的功率和面积之间的衡量问题 。SAR ADC 在中瓜折柳率和低频范围内具有邃密的功耗着力，因此常用。由于传统的声耦合读出器的可扩展性有限、输入动态范围有限，况兼对工艺变化的明锐性也不睬思，因此最近东谈主们开动探索径直数字读出器架构当作一种科罚决议。为此，超采样 ADC 可用于开采双向神经接口的纯记录或伪影耐受架构。目下已建议了基于三角Σ调制、三角调制以及两者团结的不同读出神志；这些读出神志不错额外紧凑且可扩展。

总体而言，可穿着和植入式生物电子学范畴在约束发展和完善，新的传感器本领和电路本领约束开采，以提供更准确、更气象的监测。在神经科学范畴，硅神经探针越来越密集，如图 10 所示，不错同期记录越来越多的神经元。然则，缠绵具有更强并行记录才调的神经接口却濒临着新的挑战：数据瓶颈。为了应答这一挑战，目下的推测重心是齐全片上数据分析。这为模拟和羼杂信号前端缠绵东谈主员带来了痛快东谈主心的缠绵挑战和机遇。

论断

模拟电路是施行宇宙与电子宇宙的接口。75 年前晶体管的发明为咱们提供了一个不错开关和放大的袖珍坚固器件。模拟电路以多种各样、约束变化的神志使用晶体管的这两种功能。晶体管和集成电路的发明以及随之而来的本领升级对咱们宇宙的改动越过了东谈主类历史上的大多数发明。本领范畴的扩大为咱们带来了晶体督职责速率和集成密度方面的庞大高出，但同期也加重了晶体管的非理思性，导致了结构和电路的创新，以及等闲的数字辅助模拟电路缠绵。从放大器的电路创新到数据转机器的结构创新，再到传感器接口范畴的系统创新，这篇综述让咱们了解了模拟电路的一小部分孝敬。惟有咱们还活命在模拟宇宙中，异日还会有更多的孝敬和创新。

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