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常用模拟开关芯片型号与功能和应用介绍（精选）.pptx
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专业:电子与通信工程姓名:张威威
常用模拟开关芯片型号与功能和应用介绍
一、模拟开关的电路组成及工作原理
二、常用的CMOS模拟开关集成电路
三、模拟开关集成电路的应用
一、模拟开关的电路组成及工作原理
模拟开关,英文名A主要是完成信号链路中的信号切换功能。采用MOS管的开关方式实现了对信号链路关断或者打开;由于其功能类似于开关,而用模拟器件的特性实现,成为模拟开关。
模拟开关是一种三稳态电路,它可以根据选通端的电平,决定输人端与输出端的状态。当选通端处在选通状态时,输出端的状态取决于输人端的状态;当选通端处于截止状态时,则不管输入端电平如何,输出端都呈高阻状态。模拟开关在电子设备中主要起接通信号或断开信号的作用。由于模拟开关具有功耗低、速度快、无机械触点、体积小和使用寿命长等特点,因而,在自动控制系统和计算机中得到了广泛应用。
模拟开关电路由两个或非门、两个场效应管及一个非门组成,如图一所示。模拟开关的真值表见表一。
模拟开关的工作原理如下:
当选通端E和输入端A同为1时,则S2端为0,S1端为1,这时VT1导通,VT2截止,输出端B输出为1,A=B,相当于输入端和输出端接通。
当选通E为1时,而输入端A为0时,则S2端为1,S1端为0,这时VT1截止,VT2导通,输出端B为0,A=B,也相当于输入端和输出端接通。
当选通端E为0时,这时VT1和VT2均为截止状态,电路输出呈高阻状态。
从上面的分析可以看出,只有当选通端E为高电平时,模拟开关才会被接通,此时可从A向B传送信息;当输入端A为低电平时,模拟开关关闭,停止传送信息。
二、常用的CMOS模拟开关集成电路
在模拟开关的集成过程中,晶体三极管和场效应晶体管均可用来做模拟开关的有源器件,实际上,由于场效应晶体管特性的对称性不存在残余电压等优点,所以在模拟开关中用的最多的还是场效应晶体管。
开关在电路中起接通信号或断开信号的作用。最常见的可控开关是继电器,当给驱动继电器的驱动电路加高电平或低电平时,继电器就吸合或释放,其触点接通或断开电路。CMOS模拟开关是一种可控开关,它不象继电器那样可以用在大电流、高电压场合,只适于处理幅度不超过其工作电压、电流较小的模拟或数字信号。
1. 无译码器的多路开关
TL182C,AD7510,AD7511,AD7512等。
芯片中无译码器,四个通道开关都有各自的控制端。
防闩锁型介质隔离CMOS开关,可提供最高超出电源电压±25 V的过压保护,低导通电阻75Ohm,低泄漏电流500pA。
每一个开关可单独通断,也可同时通断,使用方式比较灵活。
引脚较多,使得片内所集成的开关较少。
当巡回检测点较多时,控制复杂。
四双向模拟开关CD4066
CD4066的每个封装内部有4个独立的模拟开关,每个模拟开关有输入、输出、控制三个端子,其中输入端和输出端可互换。当控制端加高电平时,开关导通,导通电阻为几十欧姆;当控制端加低电平时开关截止呈现很高的阻抗,可以看成为开路。模拟开关可传输数字信号和模拟信号,可传输的模拟信号的上限频率为40MHz。各开关间的串扰很小,典型值为-50dB。
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5月1日，IC Insights公布了2017年全球10大模拟芯片厂商营收及排名。
据IC Insights统计，2017年全球模拟芯片的市场规模为545亿美元，模拟芯片市场在年的复合年增率(CAGR)将达到6.6%。到2022年，市场规模将达到748亿美元。
显然，几乎是“高端芯片”代名词的模拟IC，无论是过去、现在、还是将来，都有着非常可观而美好的市场。由于模拟芯片在IC产业里的“高门槛”特性，使其产品和技术很难被“复制”，因此，相关厂商的毛利率都相当可观，低于50%都算是一般的业绩了。
在这样的背景下，强者愈强、大者恒大的规律显得很是突出。排名前10的IC供应商占模拟类芯片2017年全球销售额的59％。综合来看，前10家公司去年的模拟IC销售额为323亿美元，而2016年的销售额为284亿美元，同比增长14％，市场份额增长2个百分点。前10家供应商中有8家的营收增长率超过了10％。
当之无愧的霸主
显然，无论是营收，还是市占率，德州仪器（TI）都遥遥领先于其它厂商，牢牢地占据着模拟芯片行业霸主的位置。
凭借99亿美元的模拟芯片销售额，以及18％的市场占有率，德州仪器再次成为了2017年模拟IC行业的领头羊。2016年，TI的模拟IC市场份额为17％，2017年，该公司的模拟销售额增加了14亿美元，增长率达到16％，是排名第二的ADI公司的两倍多。
根据IC Insights估算，TI公司2017年模拟收入占其130亿美元IC总销售额的76％，以及其139亿美元半导体总收入的71％。
据悉，TI是首批在300毫米晶圆上生产模拟芯片的公司之一。该公司称，与使用200毫米晶圆相比，在300毫米晶圆上制造模拟IC，可以使每个未封装芯片的成本优势提升40％。2017年，TI一半以上的模拟收入都是通过使用300毫米晶圆制造实现的。
4月24日，德州仪器发布了2018年Q1财报，一季度实现营收37.89亿美元，同比增长11.38%；实现净利润13.66亿美元，同比增长37.01%；EPS同比增长39%，至1.35美元。2018年第一季度的销售超过预期。
据IDC统计，工业电子与汽车电子市场的增长速度将领跑到2020年左右，年增速预期分别为4%和8%，远超过芯片市场整体2%的年均增速。
天风证券的研究报告称，TI公司本季度的超预期表现主要来自工业和汽车市场对相关产品的强劲需求，特别是模拟产品线。模拟芯片收入比去年同期增长14％，主要来源于能源和信号链的需求增长。嵌入式处理收入与去年同期相比增长了15％，主要来源于处理器和连接微控制器的需求增长。在其他领域，收入同比下降13％，主要是由于定制ASIC产品。个人电子产品由于一些部门和客户的增加而增长。与去年第四季度相比，通信设备收入有所下降。
天风证券表示，基于当前公司业务对第二季度财务数据进行预测，预计二季度收入在37.8亿美元到41亿美元之间，每股收益在1.19美元到1.39美元之间，其中包括估计的1000万美元独立税收优惠。
TI如此亮眼的业绩，很大程度上是得益于模拟芯片自身及其市场的特点，即模拟芯片的差异性显著，生命周期长。
模拟IC的技术来源于采集捕捉现实世界的信息，因为现实世界的复杂和异质性，用于捕捉这一特性的产品设计同样具有复杂异质性特征。模拟芯片的差异性非常显著，体现在公司的IP格外重要。同时，模拟芯片强调的是高信噪比、低耗电、高可靠性和稳定性，生命周期较长，价格较低，这一点同数字芯片有显著差别（数字芯片遵循摩尔定律，通常1~2年后就面临被更高工艺产品的淘汰）。
此外，从供给端来看，模拟芯片行业研究能力供给是有限的。而在设计过程中，人力资源难以被复制。模拟芯片的设计过程相比于数字芯片，更多依赖于经验，而更少依赖计算机模型。设计的过程中有更多的试错性质，好的工程师具有10年以上的经验，因此，模拟芯片公司构建了强大的进入壁垒。
再者，产品的差异性和研究能力供给有限降低了市场竞争，同时终端市场的分散化特征继续放大模拟芯片行业战略优势。模拟芯片的终端市场非常分散，产品线数以万计，而平均订单数量减少。行业龙头在横向品类上具有优势，新进入者很难进行有效竞争。市场竞争格局稳定，龙头在定价能力上具有话语权。
而以上，正是TI的优势所在，由此，该公司能够领衔模拟芯片市场就不足为奇了。
ADI增长依然强劲
排名第二的ADI公司，其2017年模拟IC销售额增长了14％，达到43亿美元。IC Insights针对ADI展示的2016年和2017年收入数据包括凌特公司的销售额，该公司于2017年第一季度完成了对凌力尔特公司的收购，收购价为158亿美元。
安森美表现亮眼
在前10名中，安森美（ON Semi）半导体2017年的模拟销售额增幅最大，收入增长35％，达到18亿美元，占全球市场份额的3％。
2016年，安森美模拟销售额增长16％。过去两年销售额的强劲增长，很大程度上得益于ON Semi于2016年9月以24亿美元收购飞兆半导体公司。安森美的模拟业务在2017年也因其电源管理产品在汽车市场的销售额创纪录地增长，尤其是主动安全，动力总成，车身电子和照明应用。
NXP出现负增长
恩智浦（NXP）是2017年排名前10位中唯一负增长的供应商，其去年的模拟销售额下降了-1％。恩智浦的模拟收入之所以下滑，部分可归因于其标准产品业务出售给由建广资本和Wise Road Capital组成的中国投资者联盟。这笔27.5亿美元的交易于2017年2月完成。标准产品业务更名为Nexperia，总部位于荷兰。
看了年的营收和排名，不禁让我想起了模拟芯片厂商在前几年的表现，可以说，变化很大。
下面，让我们看看2014年，各大模拟芯片厂商的表现和排名吧。
2014年，全球模拟IC市场表现不佳，面对全球PC市场需求被平板电脑取代的压力，Wintel阵营开始吹起反攻的号角，加上在可穿戴设备、光学镜头、无线充电及物联网（IoT）等新兴应用的拉动，2015年的模拟IC市场表现不错。
那么，在市况不好的2014年，模拟IC市场蛋糕是如何划分的呢？
IC Insights在2015年发布的McClean报告显示，德州仪器再度成为2014年全球模拟IC供应商龙头，市场占有率为18%。其营收增长和市占率与该公司在2017年的表现相当。
通过比较2014年和2017年的模拟芯片厂商排名，我们发现，不变的是德州仪器的位置和市场表现，而从排名、市占率这两方面看，infineon、Maxim、NXP、ON Semi和Renesas这几个厂商变化不大。
ON Semi和Renesas只是在营收增长率方面出现了大幅变化，ON Semi由2014年的4%，变成了2017年的35%，而Renesas由2014年的负增长，变成了2017年的正增长13%。这主要还是得益于这两家厂商在过去两年的收购，即ON Semi收购了飞兆半导体，Renesas于2016年以32亿美元收购了Intersil，以巩固其在模拟市场的地位。
Microchip排进前10，主要是因为ADI与Linear合二为一，Microchip补位了进来。
变化较大的公司是ADI、ST和Skyworks这3家公司。
通过收购Linear，ADI由2014年的排名第4，上升到了行业次席，紧追霸主TI。
而Skyworks由2014年的第5，上升到了2017年的第3，但市占率变化不大，由6%升至7%。但是，由一个数据却发生了巨大的变化，那就是营收增长率，2014年这一数据是42%，2017年则下降到了16%。
作为全球RF芯片两强之一的Skyworks，其RF芯片对手机的依赖程度很高，其营收的40％都来自于iPhone，其次是中国的华为、Oppo和Vivo。虽然其2017年的业绩不错，但手机市场低迷的影响有滞后性，或许在今年下半年就会进一步体现出来。这一点，从其营收增长率和排名的变化中似乎能看到一丝端倪。
Skyworks排名上升，是得益于过去几年手机市场的火爆，而营收增长率由2014年的42%，下降到了2017年的16%，正式最近两年手机市场衰弱的影响。这样来看，对手机依赖度较高的Skyworks，不知道今后几年是否会调整战略，以迎接市场挑战。或许工业、汽车等高性能应用市场是其今后发展的重点。
下面看一下意法半导体（ST），该公司排名由2014年的第2，下降到了2017年的第5，其原因应该是多方面的。首先，ADI收购了Linear，体量剧增，由原来的第4，上升到了第2，自然就挤掉了ST；而从业绩来看，ST的市占率由2014年的6%，降到了2017年的5%（实际上变化并不大），但其营收增长率表现优异，由2014年的2%，增长到了2017年的16%。
在这么好的营收增长变化情况下，排名却下降明显。主要还是竞争激烈导致。实际上，排名第2到第5的几家厂商之间的差距很小，市占率基本就差一个百分点，相关业绩稍有变化，排名就会很明显不同。这也从一个侧面体现出，模拟芯片市场的竞争也越来越不逊于数字和逻辑芯片市场。特别是在规模最大的手机市场表现不断疲软的境况下，给各大模拟厂商提出了不少难题，前途也越发显得艰难。
而在应对市场方面，德州仪器做的显然是最好的。该公司本来就是模拟IC行业的传统领导厂商，早些年看到手机业务不景气，果断放弃了相关的处理器等数字芯片业务，将主要精力放在最擅长的模拟IC上，且不断加强高性能应用产品的研发。使其走在了市场的前列，始终处于模拟芯片市场的绝对霸主地位。
未来，模拟芯片市场将会呈现以下特点：工艺更加先进，集成度更高，高压和超高压芯片将大批量生产，数模混合会更加流行，超越硅基的模拟芯片将小批量进入市场。
由此可见，数字和模拟将会进一步融合，而这样可以使模拟芯片实现更高的集成度。因此，未来的模拟IC市场，将属于能够通吃数字与模拟产品，且精通混合信号技术的厂商，霸主能否坐稳？新贵何时出现？我们拭目以待。
而与以上这些领先的模拟芯片厂商相比，中国的相关企业体量和技术水平还有明显差距。而且，我国模拟IC市场也有自身的特点：消费电子市场需求偏大，因为中国是全球最大的消费电子生产基地，所以用于消费电子的模拟芯片需求比例特别高；中低端需求较大；工业市场很小，但增长很快；对外依赖度较高，超过80%的模拟芯片都依靠进口。
基于全球和自身市场特点，我国的模拟IC产业还处于发展前期阶段。如何结合自身特点，借鉴这些国际大厂的成功经验、失败教训，把握好市场发展动向，是摆在所有我们相关企事业面前的课题。
文/半导体行业观察 张健
今天是《半导体行业观察》为您分享的第1575期内容，欢迎关注。
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