Gastkommentar Bob Dobkin, Mitbegründer von Linear Technology Die Evolution analoger Schaltkreise

Der Wandel in 40 Jahren bei analogen und digitalen Schaltungen.
Der Wandel in 40 Jahren bei analogen und digitalen Schaltungen.

Seit 40 Jahren beträgt der Anteil der analogen Schaltungen 20 % vom Gesamtmarkt der ICs. Bei digitalen und analogen ICs gab es während dieser Zeit große Fortschritte bei Komplexität und Funktion.

Bei den digitalen ICs beruhte der verbesserte Funktionsumfang auf der Anzahl der Transistoren, bei den analogen ICs erfolgten die Fortschritte durch andere Parameter. Die Leistungssteigerung der digitalen ICs stützt sich auf die Reduzierung von Linienbreite und Transistorgröße. Zwängt man immer mehr Transistoren in den Chip, erhöht dies die Produktivität der digitalen ICs. Analoge ICs basieren auf Parametern der realen Welt und so sind die Verbesserungen der analogen Produktivität Parameter wie Leistung, Auflösungsgeschwindigkeit.

Digital bedeutet Information – Spannung und Strom spielen in digitalen Schaltungen keine Rolle, solange Eingang und Ausgang stimmen. In einer digitalen Schaltung spielt es keine Rolle, wie geformt ein Signal vom Eingang zum Ausgang gelangt. Analoge Funktionen berücksichtigen Parameter der realen Welt. Spannung und Strom, Rauschen, Geschwindigkeit und Versorgungsstrom sind die analogen Größen, die in einem analogen IC definiert sind. Deshalb ist es in analogen ICs kritisch, wie das verarbeitete Eingangssignal dann am Ausgang aussieht.

Die Fortschritte bei den digitalen ICs haben einen großen Einfluss auf analoge ICs. Vor 40 Jahren wurden analoge ICs mit acht Maskensätzen hergestellt. Beinahe alle Hersteller hatten vergleichbare Prozesse und Produkte, die sich sehr ähnlich waren. Heute hat jeder Hersteller seinen eigenen Analogprozess und Variationen davon; die Zeiten von Second Source sind vorbei.

Die Verbesserungen im analogen Prozess betreffen nicht nur die Transistorgröße, sondern auch die Prozesskomplexität. Analoge ICs werden heute mit bis zu 50 Maskensätzen hergestellt, sie enthalten bipolare Teile, CMOS, Dünnschichtwiderstände und andere spezielle Komponenten, die für die analogen Funktionen benötigt werden. Analoge ICs kann man nicht wie die digitalen ICs schrumpfen. Einige Parameter der analogen ICs wie Spannung und Strom erfordern für die korrekte Funktion eine gewisse Chipfläche. Höhere Spannungen erfordern größere Transistoren und größere Abstände; somit ist ein Shrinken nicht möglich. Große Ströme erfordern Transistoren mit großer Fläche und Shrinken trägt nicht dazu bei, diese Ströme zu tragen. Auch sind für hohe Verlustleistungen große Chipflächen und gute thermische Verbindungen für den korrekten Betrieb notwendig. D.h., analoge Schaltungen sind physikalisch eng gekoppelt an die auszuführende Funktion.

Die Verbesserungen hin zu kleinen Strukturen der digitalen ICs wurden an die analogen ICs adaptiert. Kleinere Transistoren arbeiten schneller, sodass sich Applikationen mit diesen neuen Transistoren mit den kleineren Leitungsbreiten stark verbreiteten. Schnelle HF-Schaltungen mit niedrigeren Stromstärken bei Gigahertz-Frequenzen sind heute üblich. Analog-Digital-Umsetzer mit mehr als 20 bit oder Wandler, die bei Gigahertz-Frequenzen arbeiten, sind das direkte Ergebnis des Einsatzes kleinerer und schneller CMOS-Transistoren als Teil des Prozesses. Da diese Fineline-Prozesse durch die großen Stückzahlen der digitalen ICs kostengünstiger wurden, wurden auch die Herstellkosten der Analog-ICs, die mit diesen Prozessen hergestellt werden, günstiger und nahezu überall erhältlich. Schaltregler, die bei einigen Megahertz mit mehr als 95 % Wirkungsgrad arbeiten, sind auch ein Ergebnis der Fineline-Transistoren. Die kleinere Transistorgröße ermöglicht den analogen ICs auch einen großen Anteil von digitalen Hilfsschaltkreisen – außerdem werden sie dadurch auch schneller.

Die analogen Komponenten wurden generell leistungsfähiger. OpAmp-Geschwindigkeit und DC-Genauigkeit wurden verbessert, Linearregler (LDOs) bieten geringeren Dropout und Versorgungsstrom sowie analoge Monitorausgänge. Neue Architekturen für Linearregler ermöglichen einfaches Parallelschalten ohne spezielle externe Schaltungen sowie Ausgänge, die auf null Volt eingestellt werden können. Einer der neuesten LDOs bietet ein Ausgangsrauschen von 1 µV im Bereich 10 Hz bis 100 kHz – besser als viele rauscharme Verstärker.

Diese Entwicklungen führten zu neuen Schaltungsinnovationen, besseren Maskenprozessen, geringerer Defektdichte in Masken und auf Wafern sowie zu größeren Wafern. Analoge ICs werden immer leistungsfähiger und sie bieten die Möglichkeit der Implementierung von Systemfunktionen auf dem Chip. Weder digitale noch analoge ICs haben sich Jahr für Jahr in großen Schritten verändert. In den letzten 40 Jahren unterlagen die Verbesserungen einer stetigen Entwicklung der Parameter. In Zukunft, über die nächste Dekade und danach, können wir weitere kontinuierliche Verbesserungen und Innovationen bei analogen Schaltungen erwarten.

Bob Dobkin
 
Bevor er 1981 Linear Technology mitbegründete, war Dobkin elf Jahre lang als Director of Advanced Circuit Development bei National Semiconductor beschäftigt. In seiner mehr als 30-jährigen Laufbahn entwickelte er zahlreiche Schaltkreise, die mittlerweile Industrie-Standard sind. Dobkin hält über 100 Patente für Linear-ICs. Studiert hat er am MIT.