Аналоговые интегральные схемы: ключевые компоненты современной электроники

Аналоговая интегральная схема — одна из категорий микросхем. Кроме того, это фундаментальный компонент большинства электронных устройств.

Например, такой тип микросхемы можно найти в большинстве потребительской электроники. Почему? Потому что микросхема помогает работать цифровым устройствам, компьютерам, мобильным телефонам и т.д.

Также эта микросхема полезна для сигналов широкой полосы и других высокомощных приложений. Отличные примеры: таймер 555, операционные усилители, датчики и др.

Но устройство не применяется во всех электронных приборах. Поэтому мы создали эту статью для обсуждения аналоговой интегральной схемы. Вы узнаете, что это, зачем она нужна и многое другое.

Продолжим!

Что такое аналоговая интегральная схема?

Общая аналоговая интегральная схема

Источник: Wikimedia Commons

Это устройство — основной компонент большинства электронных приборов. Оно обрабатывает сигналы, свободно изменяющиеся от нуля до полного напряжения питания.

Обычно схема имеет два входа: один положительный, другой отрицательный. Кроме того, каждый вход — неинвертирующий и инвертирующий соответственно.

Компоненты аналоговой интегральной схемы:

• Конденсаторы
• Резисторы
• Полупроводники
• Дроссели

С помощью устройства можно проектировать:

• Операционные усилители
• Генераторы
• Активные фильтры
• Линейные регуляторы
• Программные фазовые автоподстройки (PLL)

Важно учитывать полупроводниковые параметры: сопротивление, рассеиваемую мощность и коэффициент усиления по мощности.

Другими словами, аналоговая интегральная схема работает, преобразуя различные аналоговые входы: тепло, звук, свет. Также конвертирует их в цифровые сигналы и нули для обработки. Аналоговые интегральные схемы имеют больший срок службы, чем электронные устройства.

Зачем нужна аналоговая электроника?

Аналоговый интегральный ключ

Источник: Wikimedia Commons

Хотя электроника эволюционировала, аналоговая всё ещё сильна. Большинство вещей цифровые, но удобнее представлять числа двоично. Легче связать «1» и «0» с «ВКЛ» и «ВЫКЛ».

В отличие от проектирования цифровых микросхем, аналоговое требует большего внимания к:

• Каждой цепи
• Точным характеристикам транзистора
• Размеру

Причина проста. Сейчас большинство устройств цифровые, поэтому проектировщиков аналоговых микросхем заставляют работать с процессными особенностями и ограничениями, более подходящими для цифровых микросхем.

Спецификация проектирования аналоговой микросхемы

Как и для цифровых микросхем, аналоговые проектировщики начинают с массива признаков и спецификаций. Затем используют рабочие и активные модели для масштабирования ограничений.

В итоге получают:

• Процессные особенности
• Тип
• Размер устройства

Часто включает:

• Добавление технологий конденсаторов и дросселей
• Стандартные показатели для интегрированных и подсхем
• Выбор транзистора

Можно создавать высокоуровневые симуляции и определять ограничения подблоков с HDL вроде VHDL-AMS.

Поток проектирования аналоговой микросхемы

Шаги для проектирования аналоговой микросхемы:

1. Спецификация проекта

• Разработка тестовой обстановки
• Топологии
• Ограничения
• Спецификации

2. Схемотехнический поток

• Симуляция и оптимизация схемы
• Ввод схемы на уровне цепи
• HDL спецификация блока
• Архитектурная HDL симуляция
• Системный ввод схемы

3. Физический поток

• Tape-out
• Пост-макетная симуляция
• Извлечение паразитных параметров
• Layout versus schematic (LVS)
• Design rule check (DRC)
• PCell-базированный ввод макета

Проектирование аналоговой интегральной схемы

Простая аналоговая схема IC

Источник: ExplainthatStuff

Существует процесс для создания аналогового IC дизайна. Процедура включает (в любом порядке):

• Симуляции схем
• Системное проектирование
• Схемотехническое проектирование
• Отладка схемы
• Системная отладка
• Верификация
• Системные симуляции
• Топологическое проектирование IC
• Фабрикация
• Межсоединения
• Проектирование компонентов
• Отладка устройства

Практический аспект включает:

1. Блочно-уровневая система

Также известна как клеточно-уровневая. Включает тактику для создания блочного дизайна конкретной интегральной схемы. Когда дизайны готовы, соединяют их в полную блочную систему.

2. Компонентно-уровневая схема

Компоненты основаны на результатах блочной системы.

Когда есть подходящие компоненты, соединяют их в компонентную схему. Её используют как основную схему аналогового дизайна. Также работает для симуляции.

3. Подтверждение компонентной схемы

Можно использовать компонентную схему для подтверждения после симуляции. С результатами симуляции верифицируют компонентную схему аналогового IC.

4. Создание IC

Шагов несколько. Начните с полупроводниковых материалов для создания полупроводникового вефера. Или купите готовый вефер.

Затем добавьте компоненты: транзисторы, конденсаторы, резисторы и т.д. Упакуйте кристалл — образуется корпус IC.

5. Тестирование и отладка IC

На этом этапе тестируют аналоговую интегральную схему. Отлаживают для сравнения проверочных и расчетных результатов. Если всё хорошо — проектируют прототип IC. Используют прототип для характеристики оценочной платы и IC.

Разница между аналоговыми и цифровыми IC

Таблица ниже резюмирует различия:

Аналоговые IC	Цифровые IC
Работают на непрерывно изменяющемся сигнале — во времени.	Работают на двоичных сигналах.
Требования к дизайну аналоговых IC более широкие.	Требования к дизайну цифровых IC менее радикальны.
Применения: осциллографы, радары, самолеты, ПЛЛ, космос.	Применения: калькуляторы, часы, микропроцессоры, цифровые часы, компьютеры.
Коммерческие версии: микроволновые усилители, компараторы напряжения, регуляторы, умножители напряжения.	Коммерческие версии: регистры, АЦП, счетчики, ЦАП, триггеры, микропроцессоры, логические элементы.
Меньше транзисторов.	Больше транзисторов.
Входы/выходы обрабатывают непрерывный диапазон значений. Результат пропорционален входу.	Два напряжения (вход/выход) с двумя возможными значениями — без промежуточных уровней.

Применения аналоговой интегральной схемы

1. Схема управления питанием

При ближайшем рассмотрении дизайна аналогового IC заметите: все компоненты нуждаются в питании. Можно использовать сеть проводников (схему управления питанием) на чипе для доставки необходимой электрической мощности.

Схема управления питанием

Источник: Wikimedia Commons

Схема управления питанием также проектирует и анализирует доставленную мощность в цепи.

2. Смешение частот

Смешение частот использует два разных сигнала, приложенных к схеме, для получения новой частоты. Можно получить миксер частот из аналоговой интегральной схемы. Также используют миксер для изменения форм сигналов в разных диапазонах частот.

3. Активная фильтрация

Аналоговый IC эффективен для активной фильтрации. Делает это активными электронными компонентами для повышения производительности. Фильтр должен предотвращать дорогой и громоздкий дроссель. Существуют разные конфигурации: множественная обратная связь, Саллен-Ки и др.

Заключение

Аналоговая интегральная схема — устройство, состоящее из полупроводникового вефера с взаимосвязанными компонентами. Этот тип IC надежен, экономичен и идеален для профессиональных проектировщиков, хоббистов и студентов.

Использовали ли вы аналоговую интегральную схему? Или нужна помощь с выбором лучшей для проекта? Обращайтесь к нам.