集積回路 (IC) のアナログ設計には、連続信号を処理するデバイスとシステムの作成が含まれます。アナログは、音、光、温度などの実世界の情報を電気信号に変換したり、その逆に変換したりする際に重要な役割を果たします。この記事では、アナログ IC とデジタル IC の主な違いについて説明し、主要なアナログ アプリケーションをレビューし、一般的なアナログ設計の課題を検討します。
アナログおよびデジタル IC の基礎
離散値を分析するデジタル IC とは異なり、アナログ IC はさまざまな信号レベルを処理して解釈します。オペアンプ、抵抗、コンデンサ、トランジスタなどの多くの電子部品は、アナログ IC の設計と構成の基礎となります。これらの回路は、センサーや電力調整など、高精度で微妙な制御が必要なアプリケーションに不可欠です。アナログ設計の重要な考慮事項には、通常、信号整合性の最適化、熱ノイズの低減、消費電力の最小限化が含まれます。
アナログ IC とは対照的に、デジタル IC はブール論理の原理に依存しており、離散的な 0 と 1 で表されるバイナリ データが論理ゲート、フリップフロップ、および順序回路を通じて処理されます。デジタル IC は、拡張性や速度、ノイズや信号劣化に対する堅牢性など、アナログ IC に比べていくつかの注目すべき利点を備えています。デジタル IC は多くのコンピューティングおよびデータ処理タスクに好まれる選択肢ですが、信号の変化や繊細さを優先するシステムではアナログ IC が必須条件です。
特に、デジタル IC とアナログ IC を組み合わせたミックスシグナル回路設計により、高解像度のアナログ - デジタル変換、アナログ信号操作、シームレスな信号フィルタリングと調整などのさまざまな機能が容易になります。たとえば、スマートフォンやカメラのアナログ センサーは、生の環境データを収集し、高度なデジタル IC によって迅速に処理および分析されます。
アナログアプリケーションとユースケース
アナログ IC は、次のような多くのアプリケーションやシステムで重要な役割を果たします。
- RF およびワイヤレス通信: ラジオ、テレビ、携帯電話に不可欠なアナログ IC が役立ちます
電磁波を送受信して電気信号に変換したり、その逆の変換を行ったりします。 - 電源管理回路: アナログベースの電源管理回路は、電圧と電流を効率的に調整し、最適な配電を確保し、バッテリーの充放電を保護します。
- センサー: アナログ IC を搭載したセンサーはますます普及しており、温度、圧力、光などの物理変数を解釈し、後続のデジタル処理のために正確なアナログ信号に変換します。先進運転支援システム (ADAS)、医療機器、エッジ デバイスはすべて、正確なデータ収集と分析を容易にするためにアナログ IC を備えたセンサーに依存しています。
- オーディオ処理: オーディオ システムの中心で、アナログ IC はサウンド信号の増幅、フィルタリング、ミキシングを管理します。これらは、マイク、スピーカー、音楽プレーヤーの音質の整合性を維持するのに役立ちます。
- 医療機器: 医療機器は、アナログ回路とデジタル回路の組み合わせから恩恵を受け、連携して動作し、高い精度と信頼性を確保します。この統合されたアナログとデジタルのパラダイムは、ECG 装置、イメージング システム、輸液ポンプ、患者モニター、診断分析装置にとって特に重要です。
アナログ設計における課題と革新
アナログ IC は何十年も前から存在していますが、システム設計者は依然として信号整合性の課題に取り組み、電磁干渉 (EMI) や熱ノイズによって引き起こされる歪みを効果的に軽減する必要があります。エンジニアは、高周波ノイズを抑制するために、銅やアルミニウムなどの導電性コーティングやフェライト ビーズなどの高度なシールド技術と材料を利用しています。
専用のグランド プレーンと電源プレーンを備えた多層 PCB 設計は、敏感なコンポーネントを潜在的な干渉から隔離するのにも役立ちます。反転信号を伝送するワイヤのペアを含む差動信号方式は、信号対ノイズ比を高め、専用のフィルタリング回路で信号のクロストークを防止するのと同様に、ノイズをさらに最小限に抑えます。
シグナルインテグリティの課題を超えて、より多くのトランジスタをより小さなチップとフォームファクタに詰め込むと、電力制限が増加します。幸いなことに、先進的な 半導体 下位プロセスノードでの製造技術により、信号処理能力と電力効率を向上させながら、コンポーネントの密度を高めることが可能になります。シリコン密度の向上により、より小さなチップ領域で複雑なアナログ機能にも対応できます。これは、スマートフォン、小型医療インプラント、人工知能 (AI) アプリケーションを実行するエッジ センサーにとって重要です。さらに、フォトリソグラフィーやエッチングなどの高度な技術により、非常に詳細で正確なアナログコンポーネントの作成が可能になります。
さらに、微小電気機械システム (MEMS) テクノロジーにより、センサーやアクチュエーターなどのアナログ機械要素および電気機械要素の半導体チップへのシームレスな統合が容易になります。従来のアナログ回路とマイクロスケールの機械要素を組み合わせることは、ウェアラブル デバイス、医療機器、自動車システムなど、コンパクトなフォーム ファクターと高精度を必要とするアナログ アプリケーションにとって特に重要です。
まとめ
アナログ IC は、実世界のデータを電気信号に変換し、その逆も同様です。離散値を分析するデジタル IC とは異なり、アナログ回路はさまざまな信号レベルを処理して解釈します。特に、デジタル IC とアナログ IC を組み合わせたミックスシグナル回路設計により、センサー、RF および無線通信、医療およびオーディオ デバイス、電源管理などの高度な機能が容易になります。
参考文献
- アナログデザインとは、シノプシス
- アナログとデジタル エレクトロニック デザイン、DSL
- アナログデザイン、ケイデンス
- アナログ IC 設計とは何ですか?、回路のすべて