本文要點(diǎn)

模擬集成電路（IC）是產(chǎn)生或放大模擬信號(hào)的集成電路。

模擬IC具有廣泛的應(yīng)用，包括控制、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、電源、通信、儀器和物理世界接口，以及計(jì)算。

模擬IC設(shè)計(jì)需要考慮噪聲、線性度、增益、供電電壓、電壓擺幅、速度、輸入和輸出阻抗以及功率耗散等多個(gè)指標(biāo)。

本文摘要

本文介紹了模擬集成電路（IC）設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)和應(yīng)用領(lǐng)域。模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的區(qū)別在于其連續(xù)性和無(wú)限范圍的值。模擬IC是產(chǎn)生或放大模擬信號(hào)的集成電路。模擬IC在控制、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、電源、通信、儀器和物理世界接口，以及計(jì)算等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。模擬IC設(shè)計(jì)需要考慮噪聲、線性度、增益、供電電壓、電壓擺幅、速度、輸入和輸出阻抗以及功率耗散等多個(gè)指標(biāo)。模擬IC設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)在于需要手動(dòng)設(shè)計(jì)，并且受到晶體管尺寸縮小帶來(lái)的高階寄生效應(yīng)的影響。

有興趣了解模擬集成電路嗎？本文探討了這些重要但未被充分重視的 IC 的設(shè)計(jì)指標(biāo)和應(yīng)用。

集成電路 (IC) 自 20 世紀(jì) 50 年代末推出以來(lái)一直統(tǒng)治著電子行業(yè)。所有跡象都表明這些小黑匣子將繼續(xù)主導(dǎo)市場(chǎng)，尤其是模擬 IC 設(shè)計(jì)多年來(lái)變得越來(lái)越重要。

盡管如此，當(dāng)大多數(shù)人想到 IC 時(shí)，他們會(huì)想到計(jì)算機(jī)處理器或微控制器等數(shù)字電路。這篇文章應(yīng)該有助于糾正這個(gè)問(wèn)題。我們將回顧模擬 IC 的性質(zhì)，回顧這些電路的一些應(yīng)用領(lǐng)域，最后研究設(shè)計(jì)它們的獨(dú)特要求和挑戰(zhàn)。

什么是模擬IC？

在我們開(kāi)始討論模擬 IC 設(shè)計(jì)之前，我們需要定義“模擬”。

模擬信號(hào)在時(shí)間上是連續(xù)的并且具有無(wú)限范圍的值。自然界中發(fā)現(xiàn)的所有信號(hào)，從聲波到腦電波，都是模擬信號(hào)。另一方面，數(shù)字信號(hào)隨著時(shí)間的推移是離散的，并且在任何給定時(shí)間只能是一定數(shù)量的狀態(tài)之一。圖 1 提供了兩種信號(hào)類型的比較。

圖 1.模擬（頂部）與數(shù)字（底部）信號(hào)。圖片由Monolithic Power Systems提供

模擬 IC 是產(chǎn)生或放大模擬信號(hào)而不是數(shù)字信號(hào)的集成電路。

模擬IC的應(yīng)用

現(xiàn)在我們知道什么是模擬 IC，圖 2 顯示了它們的使用領(lǐng)域。

圖 2.模擬電子器件的應(yīng)用。圖片由半導(dǎo)體研究公司提供

如您所見(jiàn)，模擬 IC 具有多種應(yīng)用。讓我們按類別來(lái)看看它們。

控制

為了控制電路操作，模擬電路根據(jù)傳感器值創(chuàng)建信號(hào)。模擬電路廣泛使用一種稱為反饋的技術(shù)，其中電路輸出值在電路內(nèi)反饋，以根據(jù)其自身值調(diào)整輸出。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

某些應(yīng)用（例如播放或錄制音頻）需要將數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)相互轉(zhuǎn)換。用于實(shí)現(xiàn)此目的的電路必須包含模擬電路以測(cè)量模擬信號(hào)。

假設(shè)您想在手機(jī)上播放一些音樂(lè)。要生成通過(guò)手機(jī)揚(yáng)聲器播放的音頻，代表聲音的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換為實(shí)際的聲波。由于聲波是模擬信號(hào)，這意味著信號(hào)從數(shù)字域切換到模擬域。

這是通過(guò)稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的電路來(lái)執(zhí)行的。相反，錄制音頻需要將模擬信號(hào)（正在錄制的音頻）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，因此需要使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。DAC 和 ADC 都需要特殊的數(shù)字和模擬電路，以實(shí)現(xiàn)高性能，同時(shí)保持合理的功耗。

力量

所有電路都需要功率調(diào)節(jié)，以確保它們接收正確的電壓和電流以實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行。電源可能會(huì)產(chǎn)生噪音或出現(xiàn)故障，這可能會(huì)妨礙甚至破壞電氣系統(tǒng)。這就是為什么有必要包含電力電子設(shè)備，通過(guò)提供自動(dòng)關(guān)閉和/或與電源隔離等安全功能，防止電路受到損害。

這些電源調(diào)節(jié)電路可以將墻壁插座的交流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電。它們還可以執(zhí)行直流到直流轉(zhuǎn)換以產(chǎn)生不同值的電壓。此外，它們還可以利用能量收集將太陽(yáng)能、射頻或輻射能轉(zhuǎn)換為直流電源電壓。

溝通

雖然通過(guò)電纜傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常被認(rèn)為是數(shù)字的，但實(shí)際上它本質(zhì)上是模擬的。模擬電路提供了通過(guò)電纜發(fā)送數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)能力，并且具有足夠的電量以便在另一側(cè)可讀。接收端還必須具有傳感放大器，可以從發(fā)送器讀取數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換回滿量程數(shù)字信號(hào)。

模擬電路的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用并不限于有線通信——無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸中使用的收發(fā)器包含許多模擬電路。這些功能用于生成和測(cè)量電磁波，使收發(fā)器能夠遠(yuǎn)距離傳輸所需的數(shù)據(jù)，并將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為全量程數(shù)字信號(hào)。

儀器儀表和物理世界接口

為了感知現(xiàn)實(shí)世界的信號(hào)或生成必須與現(xiàn)實(shí)世界交互的信號(hào)，有必要產(chǎn)生連續(xù)時(shí)間的信號(hào)。根據(jù)定義，這意味著使用模擬電路。

精密測(cè)試和測(cè)量設(shè)備需要高性能模擬電路，能夠?qū)鞲衅鬏敵鲂盘?hào)高精度地轉(zhuǎn)換為可讀電壓。這使得電壓可以轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。模擬 IC 用作各種儀器的組件，從檢測(cè)輸入電壓和電流的數(shù)字萬(wàn)用表到檢測(cè)感應(yīng)電容器值變化的加速度計(jì)。

計(jì)算

數(shù)字電路仍然統(tǒng)治著這個(gè)領(lǐng)域，但模擬電路也可以執(zhí)行高效的計(jì)算。具有最高計(jì)算性能的模擬電路是你的大腦，而執(zhí)行模擬計(jì)算的電子電路通常試圖復(fù)制人腦的操作。這是目前研究的一個(gè)大課題。

模擬 IC 設(shè)計(jì)要求

當(dāng)工程師設(shè)計(jì)數(shù)字電路時(shí)，他們主要關(guān)心兩個(gè)設(shè)計(jì)特性：功耗和處理速度。這兩個(gè)變量通常相互矛盾——設(shè)計(jì)人員必須針對(duì)其特定應(yīng)用在兩者之間找到最佳平衡。對(duì)于模擬電路設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，還有更多的考慮因素需要考慮，正如我們將在本節(jié)中看到的。

圖 3 中的圖通常稱為模擬設(shè)計(jì)八邊形，說(shuō)明了模擬設(shè)計(jì)人員在創(chuàng)建規(guī)范或評(píng)估已設(shè)計(jì)電路的性能時(shí)必須考慮的指標(biāo)。

圖 3.模擬設(shè)計(jì)八邊形。圖片由All About Circuits提供

由于功耗和速度是模擬電路和數(shù)字電路之間的共享指標(biāo)，因此我們不會(huì)在這里討論它們。然而，我們將檢查設(shè)計(jì)八邊形上的其他點(diǎn)。

噪音

噪聲——無(wú)論是由電路產(chǎn)生的，還是來(lái)自自然界的、無(wú)法消除的不需要的信號(hào)——是模擬電路的一個(gè)大問(wèn)題。模擬電路組件會(huì)產(chǎn)生不可忽略的噪聲值，這些噪聲值會(huì)增加到感興趣的真實(shí)信號(hào)中，從而損害信號(hào)完整性。

由于其高速開(kāi)關(guān)，數(shù)字電路可以提供足夠大的噪聲，足以破壞模擬電路信號(hào)輸出。然而，模擬電路的設(shè)計(jì)可以“濾除”不需要的噪聲。設(shè)計(jì)師應(yīng)該注意這一點(diǎn)。

線性度和增益

模擬電路主要由放大器組成，包括我們都知道和喜愛(ài)的運(yùn)算放大器。假設(shè)理想的運(yùn)算放大器具有無(wú)限增益，為了使運(yùn)算放大器的運(yùn)行盡可能接近理想狀態(tài)，放大器增益（輸出與輸入之比）必須最大化。

同時(shí)，線性度定義為電路的傳遞函數(shù)在整個(gè)工作范圍內(nèi)盡可能保持線性的能力。完美線性電路在輸入范圍底部和頂部的工作方式相同。這是所希望的，因?yàn)樗试S對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理。如果電路是非線性的，則需要進(jìn)行復(fù)雜的后處理，否則將導(dǎo)致讀取錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。

電源電壓和電壓擺幅

模擬電路設(shè)計(jì)人員還必須確保電源電壓具有足夠的值來(lái)滿足所需的輸出電壓擺幅。該電路還必須能夠感測(cè)并產(chǎn)生規(guī)定級(jí)別的輸入和輸出電壓。電源電壓可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

輸入/輸出阻抗

輸入和輸出阻抗在數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用中尤其重要。通信線路必須具有匹配的阻抗，以最大限度地減少反射信號(hào)，否則可能會(huì)破壞傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)。

模擬 IC 設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)

由于必須考慮如此多的指標(biāo)，模擬電路仍然主要是手工創(chuàng)建的。數(shù)字電路設(shè)計(jì)是高度自動(dòng)化的，利用硬件描述語(yǔ)言可以從代碼生成物理電路布局。

此外，雖然晶體管尺寸根據(jù)摩爾定律不斷減小，但模擬電路無(wú)法像數(shù)字電路一樣充分利用這些先進(jìn)節(jié)點(diǎn)。今天的數(shù)字電路采用 3 納米工藝制造，并且可能會(huì)變得更小。相比之下，模擬電路目前設(shè)計(jì)在 65 nm 至 28 nm 范圍內(nèi)。

晶體管的縮小會(huì)導(dǎo)致高階寄生效應(yīng)，這對(duì)模擬電路來(lái)說(shuō)是一個(gè)困擾，盡管它們不會(huì)極大地影響數(shù)字性能。因此，模擬IC從一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)到另一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)需要更多的時(shí)間。

編輯：黃飛

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