Reka bentuk analog untuk litar bersepadu (IC) melibatkan penciptaan peranti dan sistem yang memproses isyarat berterusan. Analog memainkan peranan penting dalam menterjemah maklumat dunia sebenar seperti bunyi, cahaya dan suhu kepada isyarat elektrik dan sebaliknya. Artikel ini membincangkan perbezaan utama antara IC analog dan digital, menyemak aplikasi analog utama dan meneroka cabaran reka bentuk analog biasa.
Asas IC analog dan digital
Tidak seperti IC digital yang menganalisis nilai diskret, IC analog memproses dan mentafsir tahap isyarat yang berbeza-beza. Banyak komponen elektronik — seperti penguat operasi, perintang, kapasitor dan transistor — adalah asas kepada reka bentuk dan konfigurasi IC analog. Litar ini penting dalam aplikasi yang menuntut ketepatan tinggi dan kawalan bernuansa, termasuk penderia dan peraturan kuasa. Pertimbangan reka bentuk analog utama biasanya melibatkan pengoptimuman integriti isyarat, mengurangkan hingar haba dan meminimumkan tarikan kuasa.
Berbeza dengan IC analog, IC digital bergantung pada prinsip logik Boolean, di mana data binari, yang diwakili oleh diskret 0s dan 1s, diproses melalui get logik, flip-flop dan litar berjujukan. IC digital menawarkan beberapa kelebihan ketara berbanding rakan IC analog mereka, daripada kebolehskalaan dan kelajuan kepada kekukuhan terhadap bunyi dan kemerosotan isyarat. Walaupun IC digital adalah pilihan pilihan untuk banyak tugas pengkomputeran dan pemprosesan data, IC analog adalah prasyarat dalam sistem yang mengutamakan variasi isyarat dan kehalusan.
Terutamanya, reka bentuk litar isyarat bercampur — menggabungkan IC digital dan analog — memudahkan fungsi yang pelbagai seperti penukaran analog-ke-digital resolusi tinggi, manipulasi isyarat analog dan penapisan dan penyaman isyarat yang lancar. Penderia analog dalam telefon pintar dan kamera, contohnya, mengumpul data persekitaran mentah yang diproses dan dianalisis dengan pantas oleh IC digital termaju.
Aplikasi analog dan kes penggunaan
IC analog memainkan peranan penting dalam banyak aplikasi dan sistem, termasuk:
- Komunikasi RF dan wayarles: Penting untuk radio, televisyen dan selular, bantuan IC analog
menerima dan menghantar gelombang elektromagnet, menukarkannya kepada isyarat elektrik dan sebaliknya. - Litar pengurusan kuasa: Litar pengurusan kuasa berasaskan analog mengawal voltan dan arus dengan cekap, memastikan pengagihan kuasa optimum dan melindungi pengecasan dan nyahcas bateri.
- Penderia: Semakin banyak penderia yang dilengkapi dengan IC analog mentafsir pembolehubah fizikal seperti suhu, tekanan dan cahaya, mengubahnya menjadi isyarat analog yang tepat untuk pemprosesan digital seterusnya. Sistem bantuan pemandu lanjutan (ADAS), peralatan perubatan dan peranti tepi semuanya bergantung pada penderia dengan IC analog untuk memudahkan pengumpulan dan analisis data yang tepat.
- Pemprosesan audio: Di tengah-tengah sistem audio, IC analog mengurus penguatan isyarat bunyi, penapisan dan pencampuran. Mereka memainkan peranan penting dalam mengekalkan integriti kualiti bunyi untuk mikrofon, pembesar suara dan pemain muzik.
- Peranti perubatan: Peranti perubatan mendapat manfaat daripada gabungan litar analog dan digital, berfungsi seiring untuk memastikan ketepatan dan kebolehpercayaan yang tinggi. Paradigma analog-digital integratif ini amat penting untuk mesin ECG, sistem pengimejan, pam infusi, monitor pesakit dan penganalisis diagnostik.
Cabaran dan inovasi dalam reka bentuk analog
Walaupun IC analog telah wujud selama beberapa dekad, arkitek sistem mesti masih menghadapi cabaran integriti isyarat dan mengurangkan herotan yang disebabkan oleh gangguan elektromagnet (EMI) dan bunyi haba dengan berkesan. Jurutera bergantung pada teknik dan bahan perisai termaju, seperti salutan konduktif, termasuk tembaga dan aluminium, serta manik ferit untuk menyekat bunyi frekuensi tinggi.
Reka bentuk PCB berbilang lapisan dengan satah tanah dan kuasa khusus juga membantu mengasingkan komponen sensitif daripada kemungkinan gangguan. Isyarat pembezaan, yang melibatkan pasangan wayar yang membawa isyarat terbalik, seterusnya meminimumkan hingar, begitu juga dengan meningkatkan nisbah isyarat kepada hingar dan menghalang isyarat silang isyarat dengan litar penapisan khusus.
Di sebalik cabaran integriti isyarat, mengemas lebih banyak transistor ke dalam cip yang lebih kecil dan faktor bentuk meningkatkan had kuasa. Nasib baik, maju semikonduktor teknik fabrikasi pada nod proses yang lebih rendah memudahkan ketumpatan komponen yang lebih tinggi sambil meningkatkan keupayaan pemprosesan isyarat dan kecekapan kuasa. Ketumpatan silikon yang lebih besar turut menampung fungsi analog yang kompleks di kawasan cip yang lebih kecil, yang penting untuk telefon pintar, implan perubatan kecil dan penderia tepi yang menjalankan aplikasi kecerdasan buatan (AI). Selain itu, teknik canggih seperti fotolitografi dan etsa membolehkan penciptaan komponen analog yang sangat terperinci dan tepat.
Selain itu, teknologi sistem mikro-elektromekanikal (MEMS) memudahkan penyepaduan lancar elemen mekanikal dan elektro-mekanikal analog — termasuk penderia dan penggerak — ke dalam cip semikonduktor. Menggabungkan litar analog tradisional dengan elemen mekanikal skala mikro adalah penting terutamanya untuk aplikasi analog yang memerlukan faktor bentuk padat dan ketepatan yang tinggi, seperti peranti boleh pakai, peralatan perubatan dan sistem automotif.
Ringkasan
IC analog menukar data dunia sebenar kepada isyarat elektrik dan sebaliknya. Tidak seperti IC digital yang menganalisis nilai diskret, litar analog memproses dan mentafsir tahap isyarat yang berbeza-beza. Terutamanya, reka bentuk litar isyarat campuran — yang menggabungkan IC digital dan analog — memudahkan fungsi lanjutan untuk penderia, komunikasi RF dan wayarles, peranti perubatan dan audio serta pengurusan kuasa.
Rujukan
- Apakah Reka Bentuk Analog?, Synopsys
- Analog dan Digital Elektronik Reka bentuk, DSL
- Reka Bentuk Analog, Irama
- Apakah Reka Bentuk IC Analog?, Semua Mengenai Litar