Аналоговое проектирование интегральных схем (ИС) предполагает создание устройств и систем, обрабатывающих непрерывные сигналы. Аналоговый сигнал играет решающую роль в преобразовании реальной информации, такой как звук, свет и температура, в электрические сигналы и наоборот. В этой статье обсуждаются основные различия между аналоговыми и цифровыми микросхемами, рассматриваются ключевые аналоговые приложения и исследуются общие проблемы аналогового проектирования.
Основы аналоговых и цифровых микросхем
В отличие от цифровых ИС, которые анализируют дискретные значения, аналоговые ИС обрабатывают и интерпретируют сигналы различных уровней. Многие электронные компоненты, такие как операционные усилители, резисторы, конденсаторы и транзисторы, имеют основополагающее значение для проектирования и настройки аналоговых ИС. Эти схемы необходимы в приложениях, требующих высокой точности и тонкого управления, включая датчики и регулирование мощности. Ключевые соображения при проектировании аналоговых устройств обычно включают оптимизацию целостности сигнала, снижение теплового шума и минимизацию энергопотребления.
В отличие от аналоговых ИС, цифровые ИС основаны на принципах булевой логики, где двоичные данные, представленные дискретными нулями и единицами, обрабатываются с помощью логических элементов, триггеров и последовательных схем. Цифровые ИС обладают рядом заметных преимуществ по сравнению со своими аналоговыми аналогами ИС: от масштабируемости и скорости до устойчивости к шуму и ухудшению сигнала. Хотя цифровые микросхемы являются предпочтительным выбором для многих задач вычислений и обработки данных, аналоговые микросхемы являются обязательным условием в системах, в которых приоритет отдается изменению и тонкости сигнала.
Примечательно, что конструкции схем со смешанными сигналами, сочетающие цифровые и аналоговые микросхемы, облегчают выполнение разнообразных функций, таких как аналого-цифровое преобразование высокого разрешения, манипулирование аналоговыми сигналами, а также плавную фильтрацию и преобразование сигналов. Например, аналоговые датчики в смартфонах и камерах собирают необработанные данные об окружающей среде, которые быстро обрабатываются и анализируются современными цифровыми микросхемами.
Аналоговые приложения и варианты использования
Аналоговые микросхемы играют решающую роль во многих приложениях и системах, в том числе:
- Радиочастотная и беспроводная связь: аналоговые микросхемы, необходимые для радио, телевидения и сотовой связи, помогают
принимают и передают электромагнитные волны, преобразуя их в электрические сигналы и наоборот. - Схемы управления питанием: аналоговые схемы управления питанием эффективно регулируют напряжение и ток, обеспечивая оптимальное распределение мощности и гарантируя зарядку и разрядку аккумулятора.
- Датчики. Датчики, оснащенные аналоговыми микросхемами, становятся все более распространенными и интерпретируют физические переменные, такие как температура, давление и свет, преобразуя их в точные аналоговые сигналы для последующей цифровой обработки. Усовершенствованные системы помощи водителю (ADAS), медицинское оборудование и периферийные устройства полагаются на датчики с аналоговыми микросхемами, которые обеспечивают точный сбор и анализ данных.
- Обработка звука. В основе аудиосистем аналоговые микросхемы управляют усилением, фильтрацией и микшированием звукового сигнала. Они играют важную роль в поддержании целостности звука для микрофонов, динамиков и музыкальных проигрывателей.
- Медицинские устройства. Медицинские устройства выигрывают от сочетания аналоговых и цифровых схем, работающих в тандеме, что обеспечивает высокую точность и надежность. Эта интегративная аналого-цифровая парадигма особенно важна для аппаратов ЭКГ, систем визуализации, инфузионных насосов, мониторов пациентов и диагностических анализаторов.
Проблемы и инновации в аналоговом дизайне
Хотя аналоговые микросхемы существуют уже несколько десятилетий, системным архитекторам по-прежнему приходится решать проблемы целостности сигнала и эффективно снижать искажения, вызванные электромагнитными помехами (EMI) и тепловым шумом. Инженеры полагаются на передовые методы и материалы экранирования, такие как проводящие покрытия, в том числе медь и алюминий, а также ферритовые шарики для подавления высокочастотных шумов.
Многослойная конструкция печатной платы с выделенными плоскостями заземления и питания также помогает изолировать чувствительные компоненты от потенциальных помех. Дифференциальная передача сигналов, в которой используются пары проводов, передающих инвертированные сигналы, дополнительно минимизирует шум, а также повышает соотношение сигнал/шум и предотвращает перекрестные помехи сигналов с помощью специализированных схем фильтрации.
Помимо проблем с целостностью сигнала, упаковка все большего количества транзисторов в микросхемы меньшего размера и форм-фактора увеличивает ограничения по мощности. К счастью, продвинутые полупроводник технологии изготовления на более низких технологических узлах способствуют более высокой плотности компонентов, одновременно повышая возможности обработки сигналов и энергоэффективность. Более высокая плотность кремния также позволяет выполнять сложные аналоговые функции на меньших площадях чипов, что имеет решающее значение для смартфонов, миниатюрных медицинских имплантатов и краевых датчиков, работающих с приложениями искусственного интеллекта (ИИ). Более того, сложные методы, такие как фотолитография и травление, позволяют создавать высокодетализированные и точные аналоговые компоненты.
Кроме того, технология микроэлектромеханических систем (MEMS) облегчает интеграцию аналоговых механических и электромеханических элементов, включая датчики и исполнительные механизмы, в полупроводниковые чипы. Сочетание традиционных аналоговых схем с микромеханическими элементами особенно важно для аналоговых приложений, требующих компактных форм-факторов и высокой точности, таких как носимые устройства, медицинское оборудование и автомобильные системы.
Обзор
Аналоговые микросхемы преобразуют реальные данные в электрические сигналы и наоборот. В отличие от цифровых микросхем, которые анализируют дискретные значения, аналоговые схемы обрабатывают и интерпретируют сигналы различных уровней. Примечательно, что конструкции схем смешанных сигналов, в которых сочетаются цифровые и аналоговые микросхемы, облегчают расширенные функции датчиков, радиочастотной и беспроводной связи, медицинских и аудиоустройств, а также управления питанием.
Рекомендации
- Что такое аналоговый дизайн?, Synopsys
- Аналоговый и цифровой Электронный Дизайн, DSL
- Аналоговый дизайн, Каденс
- Что такое проектирование аналоговых ИС?, Все о схемах