La progettazione analogica per i circuiti integrati (IC) prevede la creazione di dispositivi e sistemi che elaborano segnali continui. L'analogico gioca un ruolo cruciale nel tradurre le informazioni del mondo reale come suono, luce e temperatura in segnali elettrici e viceversa. Questo articolo discute le principali differenze tra i circuiti integrati analogici e digitali, esamina le principali applicazioni analogiche ed esplora le sfide comuni della progettazione analogica.
I fondamenti dei circuiti integrati analogici e digitali
A differenza dei circuiti integrati digitali che analizzano valori discreti, i circuiti integrati analogici elaborano e interpretano livelli di segnale variabili. Molti componenti elettronici, come amplificatori operazionali, resistori, condensatori e transistor, sono fondamentali per la progettazione e la configurazione dei circuiti integrati analogici. Questi circuiti sono essenziali nelle applicazioni che richiedono un'elevata precisione e un controllo sfumato, inclusi sensori e regolazione della potenza. Le principali considerazioni sulla progettazione analogica riguardano in genere l'ottimizzazione dell'integrità del segnale, la riduzione del rumore termico e la riduzione al minimo dell'assorbimento di potenza.
A differenza dei circuiti integrati analogici, i circuiti integrati digitali si basano sui principi della logica booleana, in cui i dati binari, rappresentati da 0 e 1 discreti, vengono elaborati tramite porte logiche, flip-flop e circuiti sequenziali. I circuiti integrati digitali offrono numerosi notevoli vantaggi rispetto alle controparti dei circuiti integrati analogici, dalla scalabilità e velocità alla robustezza contro il rumore e la degradazione del segnale. Sebbene i circuiti integrati digitali siano la scelta preferita per molte attività di calcolo ed elaborazione dati, i circuiti integrati analogici sono un prerequisito nei sistemi che danno priorità alla variazione e alla sottigliezza del segnale.
In particolare, i progetti di circuiti a segnale misto, che combinano circuiti integrati digitali e analogici, facilitano diverse funzioni come la conversione da analogico a digitale ad alta risoluzione, la manipolazione del segnale analogico e il filtraggio e il condizionamento continuo del segnale. I sensori analogici negli smartphone e nelle fotocamere, ad esempio, raccolgono dati ambientali grezzi rapidamente elaborati e analizzati da circuiti integrati digitali avanzati.
Applicazioni analogiche e casi d'uso
I circuiti integrati analogici svolgono un ruolo cruciale in molte applicazioni e sistemi, tra cui:
- Comunicazioni RF e wireless: essenziali per la radio, la televisione e i cellulari, i circuiti integrati analogici aiutano
ricevere e trasmettere onde elettromagnetiche, convertendole in segnali elettrici e viceversa. - Circuiti di gestione dell'alimentazione: i circuiti di gestione dell'alimentazione su base analogica regolano in modo efficiente la tensione e la corrente, garantendo una distribuzione ottimale dell'energia e salvaguardando la carica e la scarica della batteria.
- Sensori: sempre più onnipresenti, i sensori dotati di circuiti integrati analogici interpretano variabili fisiche come temperatura, pressione e luce, trasformandole in segnali analogici precisi per la successiva elaborazione digitale. I sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS), le apparecchiature mediche e i dispositivi edge si basano tutti su sensori con circuiti integrati analogici per facilitare la raccolta e l'analisi accurata dei dati.
- Elaborazione audio: al centro dei sistemi audio, i circuiti integrati analogici gestiscono l'amplificazione, il filtraggio e il missaggio del segnale audio. Sono fondamentali per mantenere l'integrità della qualità del suono per microfoni, altoparlanti e lettori musicali.
- Dispositivi medici: i dispositivi medici beneficiano di una combinazione di circuiti analogici e digitali, che lavorano in tandem per garantire elevata precisione e affidabilità. Questo paradigma analogico-digitale integrativo è particolarmente importante per le macchine ECG, i sistemi di imaging, le pompe per infusione, i monitor paziente e gli analizzatori diagnostici.
Sfide e innovazioni nella progettazione analogica
Sebbene i circuiti integrati analogici esistano da decenni, gli architetti di sistema devono ancora affrontare i problemi di integrità del segnale e mitigare efficacemente la distorsione causata dalle interferenze elettromagnetiche (EMI) e dal rumore termico. Gli ingegneri si affidano a tecniche e materiali di schermatura avanzati, come rivestimenti conduttivi, tra cui rame e alluminio, nonché sfere di ferrite per sopprimere il rumore ad alta frequenza.
I design PCB multistrato con piani di terra e di alimentazione dedicati aiutano inoltre a isolare i componenti sensibili da potenziali interferenze. La segnalazione differenziale, che coinvolge coppie di fili che trasportano segnali invertiti, riduce ulteriormente il rumore, così come l'aumento del rapporto segnale/rumore e la prevenzione della diafonia del segnale con circuiti di filtraggio specializzati.
Al di là delle sfide legate all’integrità del segnale, l’inserimento di un numero sempre maggiore di transistor in chip e fattori di forma più piccoli aumenta i limiti di potenza. Fortunatamente, avanzato semiconduttore le tecniche di fabbricazione nei nodi di processo inferiori facilitano una maggiore densità dei componenti, aumentando al contempo le capacità di elaborazione del segnale e l'efficienza energetica. Una maggiore densità di silicio può inoltre ospitare funzioni analogiche complesse in aree di chip più piccole, il che è fondamentale per smartphone, impianti medici miniaturizzati e sensori edge che eseguono applicazioni di intelligenza artificiale (AI). Inoltre, tecniche sofisticate come la fotolitografia e l'incisione consentono la creazione di componenti analogici altamente dettagliati e accurati.
Inoltre, la tecnologia dei sistemi microelettromeccanici (MEMS) facilita la perfetta integrazione di elementi meccanici ed elettromeccanici analogici, inclusi sensori e attuatori, nei chip semiconduttori. La combinazione di circuiti analogici tradizionali con elementi meccanici su scala microscopica è particolarmente importante per le applicazioni analogiche che richiedono fattori di forma compatti ed elevata precisione, come dispositivi indossabili, apparecchiature mediche e sistemi automobilistici.
Sommario
I circuiti integrati analogici convertono i dati del mondo reale in segnali elettrici e viceversa. A differenza dei circuiti integrati digitali che analizzano valori discreti, i circuiti analogici elaborano e interpretano livelli di segnale variabili. In particolare, i progetti di circuiti a segnale misto, che combinano circuiti integrati digitali e analogici, facilitano funzioni avanzate per sensori, comunicazioni RF e wireless, dispositivi medici e audio e gestione dell'alimentazione.
Riferimenti
- Cos'è il design analogico?, sinossi
- Analogico e digitale Elettronico Progettazione, ADSL
- Design analogico, cadenza
- Cos'è la progettazione di circuiti integrati analogici?, Tutto sui circuiti