Bij analoog ontwerp voor geïntegreerde schakelingen (IC's) worden apparaten en systemen gemaakt die continue signalen verwerken. Analoog speelt een cruciale rol bij het vertalen van informatie uit de echte wereld, zoals geluid, licht en temperatuur, in elektrische signalen en omgekeerd. Dit artikel bespreekt de belangrijkste verschillen tussen analoge en digitale IC's, bespreekt de belangrijkste analoge toepassingen en onderzoekt gemeenschappelijke uitdagingen op het gebied van analoog ontwerp.
De grondbeginselen van analoge en digitale IC's
In tegenstelling tot digitale IC's die discrete waarden analyseren, verwerken en interpreteren analoge IC's verschillende signaalniveaus. Veel elektronische componenten, zoals operationele versterkers, weerstanden, condensatoren en transistors, zijn van fundamenteel belang voor het ontwerp en de configuratie van analoge IC's. Deze circuits zijn essentieel in toepassingen die hoge precisie en genuanceerde regeling vereisen, inclusief sensoren en vermogensregeling. Belangrijke overwegingen bij het analoge ontwerp zijn doorgaans het optimaliseren van de signaalintegriteit, het verminderen van thermische ruis en het minimaliseren van het stroomverbruik.
In tegenstelling tot analoge IC's vertrouwen digitale IC's op de principes van de Booleaanse logica, waarbij binaire gegevens, weergegeven door discrete nullen en enen, worden verwerkt via logische poorten, flip-flops en sequentiële circuits. Digitale IC's bieden verschillende opmerkelijke voordelen ten opzichte van hun analoge IC-tegenhangers, van schaalbaarheid en snelheid tot robuustheid tegen ruis en signaalverslechtering. Hoewel digitale IC's de voorkeur hebben voor veel computer- en gegevensverwerkingstaken, zijn analoge IC's een vereiste in systemen die prioriteit geven aan signaalvariatie en subtiliteit.
Met name circuitontwerpen met gemengde signalen - waarbij digitale en analoge IC's worden gecombineerd - faciliteren diverse functies, zoals analoog-naar-digitaal-conversie met hoge resolutie, analoge signaalmanipulatie en naadloze signaalfiltering en -conditionering. Analoge sensoren in smartphones en camera's verzamelen bijvoorbeeld ruwe omgevingsgegevens die snel worden verwerkt en geanalyseerd door geavanceerde digitale IC's.
Analoge toepassingen en use cases
Analoge IC's spelen een cruciale rol in veel toepassingen en systemen, waaronder:
- RF- en draadloze communicatie: essentieel voor radio, televisie en mobiele telefonie, analoge IC's helpen
elektromagnetische golven ontvangen en verzenden, deze omzetten in elektrische signalen en omgekeerd. - Stroombeheercircuits: Op analoog gebaseerde energiebeheercircuits regelen de spanning en stroom efficiënt, waardoor een optimale stroomverdeling wordt gegarandeerd en het opladen en ontladen van de batterij wordt gewaarborgd.
- Sensoren: Sensoren uitgerust met analoge IC's worden steeds alomtegenwoordiger en interpreteren fysieke variabelen zoals temperatuur, druk en licht, en zetten deze om in nauwkeurige analoge signalen voor daaropvolgende digitale verwerking. Geavanceerde rijhulpsystemen (ADAS), medische apparatuur en randapparatuur zijn allemaal afhankelijk van sensoren met analoge IC's om nauwkeurige gegevensverzameling en -analyse mogelijk te maken.
- Audioverwerking: Analoge IC's vormen de kern van audiosystemen en beheren de versterking, filtering en mixen van geluidssignalen. Ze spelen een belangrijke rol bij het handhaven van de integriteit van de geluidskwaliteit voor microfoons, luidsprekers en muziekspelers.
- Medische apparaten: Medische apparaten profiteren van een combinatie van analoge en digitale circuits, die samenwerken om een hoge nauwkeurigheid en betrouwbaarheid te garanderen. Dit integratieve analoog-digitale paradigma is vooral belangrijk voor ECG-machines, beeldvormingssystemen, infuuspompen, patiëntmonitors en diagnostische analysatoren.
Uitdagingen en innovaties in analoog ontwerp
Hoewel analoge IC's al tientallen jaren bestaan, moeten systeemarchitecten nog steeds kampen met uitdagingen op het gebied van signaalintegriteit en het effectief tegengaan van vervorming veroorzaakt door elektromagnetische interferentie (EMI) en thermische ruis. Ingenieurs vertrouwen op geavanceerde afschermingstechnieken en materialen, zoals geleidende coatings, waaronder koper en aluminium, en ferrietkralen om hoogfrequente ruis te onderdrukken.
Meerlaagse PCB-ontwerpen met speciale grond- en stroomvlakken helpen ook gevoelige componenten te isoleren van mogelijke interferentie. Differentiële signalering, waarbij paren draden betrokken zijn die omgekeerde signalen transporteren, minimaliseert ruis verder, evenals het versterken van de signaal-ruisverhouding en het voorkomen van signaaloverspraak met gespecialiseerde filtercircuits.
Naast de uitdagingen op het gebied van de signaalintegriteit zorgt het verpakken van steeds meer transistors in kleinere chips en vormfactoren voor meer vermogensbeperkingen. Gelukkig gevorderd halfgeleider fabricagetechnieken op lagere procesknooppunten maken een hogere componentdichtheid mogelijk, terwijl de signaalverwerkingsmogelijkheden en de energie-efficiëntie worden vergroot. Een grotere siliciumdichtheid maakt ook plaats voor complexe analoge functies in kleinere chipgebieden, wat cruciaal is voor smartphones, geminiaturiseerde medische implantaten en edge-sensoren die toepassingen voor kunstmatige intelligentie (AI) uitvoeren. Bovendien maken geavanceerde technieken zoals fotolithografie en etsen het mogelijk zeer gedetailleerde en nauwkeurige analoge componenten te creëren.
Bovendien vergemakkelijkt de technologie van micro-elektromechanische systemen (MEMS) de naadloze integratie van analoge mechanische en elektromechanische elementen – inclusief sensoren en actuatoren – in halfgeleiderchips. Het combineren van traditionele analoge circuits met mechanische elementen op microschaal is vooral belangrijk voor analoge toepassingen die compacte vormfactoren en hoge nauwkeurigheid vereisen, zoals draagbare apparaten, medische apparatuur en autosystemen.
Samengevat
Analoge IC's zetten gegevens uit de echte wereld om in elektrische signalen en omgekeerd. In tegenstelling tot digitale IC's die discrete waarden analyseren, verwerken en interpreteren analoge circuits verschillende signaalniveaus. Met name circuitontwerpen met gemengde signalen – die digitale en analoge IC’s combineren – faciliteren geavanceerde functies voor sensoren, RF- en draadloze communicatie, medische en audioapparatuur en energiebeheer.
Referenties
- Wat is analoog ontwerp?, Synopsys
- Analoog en digitaal elektronisch Ontwerp, DSL
- Analoog ontwerp, cadans
- Wat is analoog IC-ontwerp?, Alles over circuits