Desain analog untuk sirkuit terpadu (IC) melibatkan pembuatan perangkat dan sistem yang memproses sinyal kontinu. Analog memainkan peran penting dalam menerjemahkan informasi dunia nyata seperti suara, cahaya, dan suhu menjadi sinyal listrik dan sebaliknya. Artikel ini membahas perbedaan utama antara IC analog dan digital, meninjau aplikasi analog utama, dan mengeksplorasi tantangan desain analog yang umum.
Dasar-dasar IC analog dan digital
Tidak seperti IC digital yang menganalisis nilai diskrit, IC analog memproses dan menafsirkan berbagai level sinyal. Banyak komponen elektronik — seperti penguat operasional, resistor, kapasitor, dan transistor — berperan penting dalam desain dan konfigurasi IC analog. Sirkuit ini sangat penting dalam aplikasi yang memerlukan kontrol presisi dan bernuansa tinggi, termasuk sensor dan pengaturan daya. Pertimbangan utama desain analog biasanya melibatkan optimalisasi integritas sinyal, mengurangi kebisingan termal, dan meminimalkan penggunaan daya.
Berbeda dengan IC analog, IC digital mengandalkan prinsip logika Boolean, di mana data biner, yang diwakili oleh diskrit 0 dan 1, diproses melalui gerbang logika, flip-flop, dan rangkaian sekuensial. IC digital menawarkan beberapa keunggulan dibandingkan IC analog, mulai dari skalabilitas dan kecepatan hingga ketahanan terhadap noise dan degradasi sinyal. Meskipun IC digital adalah pilihan yang lebih disukai untuk banyak tugas komputasi dan pemrosesan data, IC analog merupakan prasyarat dalam sistem yang memprioritaskan variasi dan kehalusan sinyal.
Khususnya, desain sirkuit sinyal campuran — menggabungkan IC digital dan analog — memfasilitasi beragam fungsi seperti konversi analog-ke-digital resolusi tinggi, manipulasi sinyal analog, serta penyaringan dan pengkondisian sinyal tanpa batas. Sensor analog di ponsel pintar dan kamera, misalnya, mengumpulkan data mentah lingkungan yang diproses dan dianalisis dengan cepat oleh IC digital canggih.
Aplikasi analog dan kasus penggunaan
IC analog memainkan peran penting dalam banyak aplikasi dan sistem, termasuk:
- Komunikasi RF dan nirkabel: Penting untuk bantuan radio, televisi, dan seluler, IC analog
menerima dan mengirimkan gelombang elektromagnetik, mengubahnya menjadi sinyal listrik dan sebaliknya. - Sirkuit manajemen daya: Sirkuit manajemen daya berbasis analog secara efisien mengatur tegangan dan arus, memastikan distribusi daya yang optimal dan menjaga pengisian dan pengosongan baterai.
- Sensor: Semakin banyak ditemukan, sensor yang dilengkapi dengan IC analog menafsirkan variabel fisik seperti suhu, tekanan, dan cahaya, mengubahnya menjadi sinyal analog yang tepat untuk pemrosesan digital selanjutnya. Sistem bantuan pengemudi tingkat lanjut (ADAS), peralatan medis, dan perangkat edge semuanya mengandalkan sensor dengan IC analog untuk memfasilitasi pengumpulan dan analisis data yang akurat.
- Pemrosesan audio: Di jantung sistem audio, IC analog mengelola amplifikasi, pemfilteran, dan pencampuran sinyal suara. Mereka berperan penting dalam menjaga integritas kualitas suara untuk mikrofon, speaker, dan pemutar musik.
- Perangkat medis: Perangkat medis mendapat manfaat dari kombinasi sirkuit analog dan digital, yang bekerja bersama-sama untuk memastikan akurasi dan keandalan yang tinggi. Paradigma analog-digital integratif ini sangat penting untuk mesin EKG, sistem pencitraan, pompa infus, monitor pasien, dan penganalisis diagnostik.
Tantangan dan inovasi dalam desain analog
Meskipun IC analog telah ada selama beberapa dekade, arsitek sistem masih harus menghadapi tantangan integritas sinyal dan secara efektif mengurangi distorsi yang disebabkan oleh interferensi elektromagnetik (EMI) dan kebisingan termal. Para insinyur mengandalkan teknik dan bahan pelindung canggih, seperti lapisan konduktif, termasuk tembaga dan aluminium, serta manik-manik ferit untuk menekan kebisingan frekuensi tinggi.
Desain PCB multi-lapis dengan ground dan power plane khusus juga membantu mengisolasi komponen sensitif dari potensi interferensi. Pensinyalan diferensial, yang melibatkan pasangan kabel yang membawa sinyal terbalik, semakin meminimalkan kebisingan, seperti halnya meningkatkan rasio sinyal terhadap kebisingan dan mencegah crosstalk sinyal dengan sirkuit penyaringan khusus.
Selain tantangan integritas sinyal, mengemas lebih banyak transistor ke dalam chip dan faktor bentuk yang lebih kecil akan meningkatkan keterbatasan daya. Untungnya, maju semikonduktor teknik fabrikasi pada node proses yang lebih rendah memfasilitasi kepadatan komponen yang lebih tinggi sekaligus meningkatkan kemampuan pemrosesan sinyal dan efisiensi daya. Kepadatan silikon yang lebih besar juga mengakomodasi fungsi analog yang kompleks di area chip yang lebih kecil, yang sangat penting untuk ponsel pintar, implan medis mini, dan sensor tepi yang menjalankan aplikasi kecerdasan buatan (AI). Selain itu, teknik canggih seperti fotolitografi dan etsa memungkinkan terciptanya komponen analog yang sangat detail dan akurat.
Selain itu, teknologi sistem mikro-elektromekanis (MEMS) memfasilitasi integrasi elemen mekanis analog dan elektro-mekanis – termasuk sensor dan aktuator – ke dalam chip semikonduktor. Menggabungkan sirkuit analog tradisional dengan elemen mekanis skala mikro sangat penting untuk aplikasi analog yang memerlukan faktor bentuk kompak dan akurasi tinggi, seperti perangkat yang dapat dikenakan, peralatan medis, dan sistem otomotif.
Kesimpulan
IC analog mengubah data dunia nyata menjadi sinyal listrik dan sebaliknya. Tidak seperti IC digital yang menganalisis nilai diskrit, sirkuit analog memproses dan menafsirkan berbagai level sinyal. Khususnya, desain sirkuit sinyal campuran — yang menggabungkan IC digital dan analog — memfasilitasi fungsi lanjutan untuk sensor, komunikasi RF dan nirkabel, perangkat medis dan audio, serta manajemen daya.
Referensi
- Apa itu Desain Analog?, Sinopsis
- Analog dan Digital Elektronik Desain, DSL
- Desain Analog, Irama
- Apa Itu Desain IC Analog?, Semua Tentang Sirkuit