简介
集成无源器材在咱们的职业中并不是什么新事物——它们由来已久且众所周知。实践上，ADI公司曩昔曾为商场出产过这类元件。当芯片组将独立的分立无源器材或许是集成无源网络作为其一部分包含在内时，需求对走线寄生效应、器材兼容性和电路板组装等考虑要素进行细心的规划办理。尽管集成无源器材持续在业界占有重要方位，但只要当它们被集成到体系级封装运用中时才干完成其最重要的价值。
几年前，ADI开端推出新的集成无源技能方案(iPassives™)。ADI旨在经过这项方案供给二极管、电阻、电感和电容等无源元件，然后能够更广泛地包含信号链规划，一同战胜现有选用无源元件办法的约束性和杂乱性。ADI的客户群对具有高效空间尺度的更完好解决方案的需求，也推动了这项方案的开展。从规划人员的视点来看，iPassives能够被视为一种灵敏的规划东西，能够在极短的开发周期内规划出具有同类最佳功用和鲁棒性的体系解决方案。ADI具有许多信号调度IC，咱们具有的共同硅制作工艺使这些IC能够完成杰出的功用。ADI能够充沛运用其现有产品的多样性来出产具有杰出功用特征的即插即用体系，而无需开发高度杂乱的集成流程。在高度可定制的网络中将集成无源技能与一切这些现有技能严密结合，并运用体系级封装技能进行封装，然后可创立彻底经过认证、测验和表征的μModule®器材。曾经选用板级解决方案的体系现在能够简化为单个器材。从咱们的客户视点来看，他们现在能够取得完好的解决方案，具有超卓的开箱即用功用，可缩短开发周期并节约本钱，而且一切这些都在十分紧凑的封装内完成。
无源技能
现在，咱们来扼要回忆一下基础知识，回想一下什么是无源元件。无源元件是无需电源供电的器材，它们的电流和电压之间的联系相对简略。这些元件包含电阻、电容、电感、变压器(即有用耦合电感)和二极管。有时电流-电压之间的联系十分简略，就像电阻中电流随电压线性改变相同。关于二极管来说，电流和电压之间也存在直接联系，仅仅这种联系是指数联系。在电感和电容中，该联系是电流对电压的瞬态依赖性。表1所示为四种根本无源元件界说这些联系的公式：
表1.首要无源元件的根本公式
无源器材既能够独自运用，也能够串联或并联，是模仿信号处理(RLC用于扩大、衰减、耦合、调和谐滤波)、数字信号处理(上拉电阻、下拉电阻和阻抗匹配电阻)、EMI按捺(LC噪声按捺)和电源办理(R用于电流检测和约束，LC用于能量累积)的重要组成部分。
分立元件的约束性
曩昔，无源元件是分立的，这意味着它们是别离制作的，而且在电路中经过印刷电路板(PCB)上的导线或电源轨相连。跟着时刻的推移，它们沿着三条途径开展演化：更小的尺度、更低的本钱和更高的功用。这些开展现在现已很老练并经过了优化，可是占位尺度和高度尺度意味着分立无源元件总是约束了缩小全体解决方案的面积和体积的尽力成效。无源器材一般在一个运用中占物料清单的80%以上，占线路板面积约60%，占整个元件开销约20%。这些要素归纳在一同带来了十分杂乱的库存操控和存储应战。
就其实质而言，分立器材是独自处理的元件。尽管或许有一些办法能够保证从某些工艺批次中挑选元件，但每个元件依然具有高度的共同性。但是，当需求十分匹配的元件时，这是一个明显的缺点。关于需求匹配的设备来说，元件之间的共同性和差异性会导致差错，然后下降时刻零点的电路功用。此外，在电路的工作温度规模内及运用寿命期间，这种功用下降总是越来越糟糕。
分立无源器材的另一个缺点是各个元件的组装和布线十分耗时，而且还占用很大的空间。这些元件运用焊接工艺衔接，一般是经过通孔或表贴封装技能(SMT)组装。通孔是一种比较老的组装技能，它将带引线的器材刺进PCB的孔中，任何剩余的引线长度都将被折弯并切除，并经过波峰焊将器材的引线衔接至PCB互连电源轨。表贴封装协助完成了更小的无源元件。在这种状况下，在PCB上蚀刻贴装衔接图画，将焊锡膏掩盖在图画上，接着运用贴片机来定位放置SMT元件。然后，PCB经过回流焊工艺(其间焊锡膏液化并树立电气衔接)，并在冷却时，焊锡膏凝结并将SMT元件机械衔接到PCB上。这两种组装技能的首要问题是，焊接进程或许十分不行靠，在缺点方针是每百万分之几的职业中，这一点越来越令人担忧。在保证焊点可靠性方面有几个要素十分重要：焊锡膏的实践成分(现在根本上都是无铅的，因而可靠性下降)、回流焊工艺中的机械稳定性(机械振动可使焊点枯燥)、焊锡膏的纯度(任何污染物都会对焊点的可靠性发生负面影响)，以及回流焊工艺中的时刻与温度。焊锡膏加热的速度怎么、实践温度和温度的均匀性怎样以及焊锡膏加热的时刻都十分要害。其间的任何改变都或许导致衔接焊盘或通孔的损坏，或许也或许引起器材上的机械应力，跟着时刻的推移而导致毛病。
在PCB上选用无源元件的另一个约束是，因为它们板上散布在遍地，走线需求很长。这或许会引进未计入的寄生参数，然后使功用和成果的可重复性受限。一般，PCB走线具有大约1
nH/mm自感的长度和电容，取决于线宽和与邻近走线的间隔。PCB走线的容差导致了寄生参数的变异，所以不只带来寄生效应的破坏性，而且它们仍是不行猜测的。在PCB板上缩小容差会添加本钱。
无源器材还供给了许多与外界的潜在触摸点，这些触摸点经手动处理或机器处理或许会引起ESD事情。相同，这对全体可靠性和鲁棒性会形成晦气影响和危险。
集成无源器材的优势
在深入探讨集成无源器材比较分立无源器材的优势之前，咱们首要概述一下集成无源器材的来源。集成电路现在包含了许多晶体管(实践上是数百万个)，它们由精细的金属相互衔接在一同。针对模仿类的运用，业界还开发了特别的工艺，如DAC和ADC中除了晶体管，还包含电阻和电容等无源元件。为了完成这些精细的模仿运用所需的功用，现已开宣布质量十分高的无源元件。用来构建集成无源器材的正是这些高质量的无源元件。正如集成电路中包含许多晶体管相同，集成无源器材能够在一个十分小的封装内包含许多高质量的无源元件。与集成电路相同，集成无源器材在大面积衬底(晶圆)上制作，一同生成多个无源网络。
与分立无源元件比较，集成无源器材最有目共睹的优势之一是能够完成准确匹配。在制作集成无源网络时，网络内的一切元件都是在相同条件下一同制作的，具有相同的资料，而且因为网络紧凑，根本上是在同一方位。选用这种办法制作的无源元件比分立无源元件更或许具有超卓的匹配。为了阐明这一点，咱们假设有一个运用需求两个匹配的电阻。这些电阻在圆形衬底(如硅晶圆)上制作，如图1所示。因为纤细的工艺差异，如电阻薄膜的厚度、薄膜的化学性质、触摸电阻等，因而在同一个批次内将存在必定的阻值差异，而在多个批次里差异值更大。在图1所示的比如中，深绿色表明电阻在容差规模的高位值端，黄色表明电阻在容差规模的低位值端。关于规范的分立器材来说，两个电阻中的恣意一个都或许来自不同的制作批次，如图顶用赤色表明的两个独自的电阻。这两个分立电阻之间可观察到的容差规模或许是整个工艺的容差规模，因而匹配较差。关于有特别的订货约束而言，有或许从同一个批次中挑选这两个分立电阻，如图顶用蓝色标出的两个独自的电阻。这两个电阻之间可观察到的容差只会是在同一个批次内的容差规模。尽管这两个电阻之间的匹配将优于随机分立器材的状况，但仍有或许呈现某种程度的不匹配。终究，关于集成无源器材，两个电阻来自同一个芯片，如图1黑色所示。这两个电阻之间仅有可观察到的容差是在同一个管芯内的容差规模。因而，这两个电阻之间的匹配将十分超卓。此外，运用穿插四边形布局的其他技能和其他办法能够进一步严厉约束两个电阻之间的分散，使元件的匹配到达最佳值。集成无源元件之间的匹配不只在时刻零点比分立无源元件要好得多，而且因为其制作现已很好地耦合，因而在整个温度、机械应力和运用寿命规模内都可坚持更好的匹配记载。
图1.分立电阻与无源电阻的匹配比较。
集成无源器材中的各个元件严密地放置在一同(实践上在微米规模内)，因而，互连寄生参数(如布线电阻和电感)能够坚持在极低的水平。在PCB上，因为走线容差和元件放置容差，互连寄生参数或许会发生改变。因为制作工艺中选用微影工艺，因而运用集成无源器材的互连容差和元件放置容差都很小。在集成无源器材中，不只寄生参数十分小，而且这些为数不多的参数仍是可猜测的，因而可靠性很高。
经过集成无源器材完成无源网络的小型化，为电路板直接带来小尺度的优势。这直接使电路板本钱下降，并答应在更小的占位空间上完成更多功用和更高功用。运用集成无源器材时，构建多通道体系变得愈加实践可行。
集成无源器材的另一个明显优势是其整个布线网络周围的鲁棒性。集成无源器材实质上是在一个完好的单元里一同铸造，用玻璃密封，然后进一步由结实的塑料封装进行保护，而不需求很多的焊接衔接。在集成无源网络中，不存在焊点枯燥、腐蚀或元件错位的问题。
集成无源网络密封功用超卓带来的另一个优势是，体系中露出节点的数量大大削减。因而，体系因意外短路或静电放电(ESD)事情损坏的或许性明显下降。
保护和操控任何电路板组装的元件库存都是一项十分杂乱的使命。集成无源器材在一个器材内包含多个无源元件，大大减轻了客户的物料清单担负，然后下降具有本钱。客户能够取得经过彻底测验和充沛验证的集成无源网络。这意味着，终究线路板构建的产值得到进步，这不只能够进一步节约本钱，还能够进步供应链的可猜测性。
运用ADI的集成无源器材(iPassives)
如前所述，高质量的无源器材一向是ADI多年来很多产品所完成的电路功用的中心。在此期间，无源器材的规模不断扩大而且质量不断进步，集成无源器材产品组合现在包含很多元件。集成无源器材选用模块化工艺，这意味着只要在需求特定元件时才需求履行出产某种类型无源器材所需的工艺过程。iPassives网络的构建根本上只需求必需的工艺杂乱性，不多也不少。如图2所示，有许多无源构建块可供挑选，构建一个集成无源网络就像将所需元件组装在一同相同简略。
图2.iPassives构建块。
如本文前面所述，集成无源器材与分立无源器材比较具有许多优势。ADI将它们用于μModule器材中，进一步加强了这些优势。这些模块运用了各种集成电路的功用。这些电路经过量身定制的工艺进行制作，所供给的增强功用是无法经过其他任何单一工艺完成的。ADI正在运用iPassives将这些集成电路衔接在一同，由此在单个器材内构建完好的精细信号链。图3中的两个μModule器材示例包含数据转换器、扩大器和其他元件，经过选用集成无源器材构建的无源增益和滤波网络将它们结合在一同。
图3.运用iPassives的μModule产品示例。
ADI出产高度可定制的精细信号调度体系。选用来自很多经现场验证的IC产品组合的可重复运用的办法，并将其与iPassives的多功用性相结合，然后使开发周期时刻和本钱都明显下降。这一决定为客户供给了巨大的优势，使客户能够自行运用最先进的功用更快、更高效地进入商场。
定论
乍一看，运用集成无源器材或许只会比其他更老练的办法显得稍微有利。但是，实践优势更为明显，ADI选用iPassives不只从头界说了能够完成的功用，还从头界说了速度、本钱和规划尺度，使之对客户更为有利。
Mark Murphy [
mark.murphy@analog.com]是爱尔兰利默里克精细转换器部的产品营销工程师。他具有梅里马克学院电子工程学士学位和利默里克大学工商办理硕士学位。Mark
Murphy
Pat McGuinness [
pat.mcguinness@analog.com]是ADI公司的产品工程师，担任在封装运用体系中运用集成无源器材。自1994年参加ADI以来，Pat一向致力于产品产值改善活动、电路规划、器材建模和新工艺开发。在ADI期间，他规划了精细转换器、开关、传感器和无源网络。Pat结业于科克大学，取得电气与微电子工程学士学位。Pat
McGuinness
