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本文要點
模擬IC具有廣泛的應用，包括控制、數據轉換、電源、通信、儀器和物理世界接口，以及計算。
模擬IC設計需要考慮噪聲、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指標。
本文摘要
本文介紹了模擬集成電路（IC）設計的基礎知識和應用領域。模擬信號與數字信號的區別在于其連續性和無限范圍的值。模擬IC是產生或放大模擬信號的集成電路。模擬IC在控制、數據轉換、電源、通信、儀器和物理世界接口，以及計算等領域有廣泛的應用。模擬IC設計需要考慮噪聲、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指標。模擬IC設計的挑戰在于需要手動設計，并且受到晶體管尺寸縮小帶來的高階寄生效應的影響。
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 的設計指標和應用。
集成電路 (IC) 自 20 世紀 50 年代末推出以來一直統治著電子行業。所有跡象都表明這些小黑匣子將繼續主導市場，尤其是模擬 IC 設計多年來變得越來越重要。
盡管如此，當大多數人想到 IC 時，他們會想到計算機處理器或微控制器等數字電路。這篇文章應該有助于糾正這個問題。我們將回顧模擬 IC 的性質，回顧這些電路的一些應用領域，最后研究設計它們的獨特要求和挑戰。
什么是模擬IC？
在我們開始討論模擬 IC 設計之前，我們需要定義“模擬”。
模擬信號在時間上是連續的并且具有無限范圍的值。自然界中發現的所有信號，從聲波到腦電波，都是模擬信號。另一方面，數字信號隨著時間的推移是離散的，并且在任何給定時間只能是一定數量的狀態之一。圖 1 提供了兩種信號類型的比較。
圖 1.模擬（頂部）與數字（底部）信號。圖片由Monolithic Power Systems提供
模擬 IC 是產生或放大模擬信號而不是數字信號的集成電路。
模擬IC的應用
現在我們知道什么是模擬 IC，圖 2 顯示了它們的使用領域。
如您所見，模擬 IC 具有多種應用。讓我們按類別來看看它們。
控制
為了控制電路操作，模擬電路根據傳感器值創建信號。模擬電路廣泛使用一種稱為反饋的技術，其中電路輸出值在電路內反饋，以根據其自身值調整輸出。
數據轉換
某些應用（例如播放或錄制音頻）需要將數字信號與模擬信號相互轉換。用于實現此目的的電路必須包含模擬電路以測量模擬信號。
假設您想在手機上播放一些音樂。要生成通過手機揚聲器播放的音頻，代表聲音的數字數據需要轉換為實際的聲波。由于聲波是模擬信號，這意味著信號從數字域切換到模擬域。
這是通過稱為數模轉換器(DAC)的電路來執行的。相反，錄制音頻需要將模擬信號（正在錄制的音頻）轉換為數字信號，因此需要使用模數轉換器 (ADC)。DAC 和 ADC 都需要特殊的數字和模擬電路，以實現高性能，同時保持合理的功耗。
力量
所有電路都需要功率調節，以確保它們接收正確的電壓和電流以實現正常運行。電源可能會產生噪音或出現故障，這可能會妨礙甚至破壞電氣系統。這就是為什么有必要包含電力電子設備，通過提供自動關閉和/或與電源隔離等安全功能，防止電路受到損害。
這些電源調節電路可以將墻壁插座的交流電轉換為低壓直流電。它們還可以執行直流到直流轉換以產生不同值的電壓。此外，它們還可以利用能量收集將太陽能、射頻或輻射能轉換為直流電源電壓。
溝通
雖然通過電纜傳輸的數據通常被認為是數字的，但實際上它本質上是模擬的。模擬電路提供了通過電纜發送數據的驅動能力，并且具有足夠的電量以便在另一側可讀。接收端還必須具有傳感放大器，可以從發送器讀取數據并將其轉換回滿量程數字信號。
模擬電路的數據傳輸應用并不限于有線通信——無線數據傳輸中使用的收發器包含許多模擬電路。這些功能用于生成和測量電磁波，使收發器能夠遠距離傳輸所需的數據，并將射頻信號轉換為全量程數字信號。
儀器儀表和物理世界接口
為了感知現實世界的信號或生成必須與現實世界交互的信號，有必要產生連續時間的信號。根據定義，這意味著使用模擬電路。
精密測試和測量設備需要高性能模擬電路，能夠將傳感器輸出信號高精度地轉換為可讀電壓。這使得電壓可以轉換為數字信號。模擬 IC 用作各種儀器的組件，從檢測輸入電壓和電流的數字萬用表到檢測感應電容器值變化的加速度計。
計算
數字電路仍然統治著這個領域，但模擬電路也可以執行高效的計算。具有最高計算性能的模擬電路是你的大腦，而執行模擬計算的電子電路通常試圖復制人腦的操作。這是目前研究的一個大課題。
模擬 IC 設計要求
當工程師設計數字電路時，他們主要關心兩個設計特性：功耗和處理速度。這兩個變量通常相互矛盾——設計人員必須針對其特定應用在兩者之間找到最佳平衡。對于模擬電路設計人員來說，還有更多的考慮因素需要考慮，正如我們將在本節中看到的。
圖 3 中的圖通常稱為模擬設計八邊形，說明了模擬設計人員在創建規范或評估已設計電路的性能時必須考慮的指標。
圖 3.模擬設計八邊形。圖片由All About Circuits提供
由于功耗和速度是模擬電路和數字電路之間的共享指標，因此我們不會在這里討論它們。然而，我們將檢查設計八邊形上的其他點。
噪音
噪聲——無論是由電路產生的，還是來自自然界的、無法消除的不需要的信號——是模擬電路的一個大問題。模擬電路組件會產生不可忽略的噪聲值，這些噪聲值會增加到感興趣的真實信號中，從而損害信號完整性。
由于其高速開關，數字電路可以提供足夠大的噪聲，足以破壞模擬電路信號輸出。然而，模擬電路的設計可以“濾除”不需要的噪聲。設計師應該注意這一點。
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的運算放大器。假設理想的運算放大器具有無限增益，為了使運算放大器的運行盡可能接近理想狀態，放大器增益（輸出與輸入之比）必須最大化。
同時，線性度定義為電路的傳遞函數在整個工作范圍內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，因為它允許對數據進行簡單的處理。如果電路是非線性的，則需要進行復雜的后處理，否則將導致讀取錯誤的數據。
電源電壓和電壓擺幅
模擬電路設計人員還必須確保電源電壓具有足夠的值來滿足所需的輸出電壓擺幅。該電路還必須能夠感測并產生規定級別的輸入和輸出電壓。電源電壓可以實現這一點。
輸入/輸出阻抗
輸入和輸出阻抗在數據傳輸應用中尤其重要。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，否則可能會破壞傳輸的數據信號。
模擬 IC 設計的挑戰
由于必須考慮如此多的指標，模擬電路仍然主要是手工創建的。數字電路設計是高度自動化的，利用硬件描述語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摩爾定律不斷減小，但模擬電路無法像數字電路一樣充分利用這些先進節點。今天的數字電路采用 3 納米工藝制造，并且可能會變得更小。相比之下，模擬電路目前設計在 65 nm 至 28 nm 范圍內。
晶體管的縮小會導致高階寄生效應，這對模擬電路來說是一個困擾，盡管它們不會極大地影響數字性能。因此，模擬IC從一個技術節點到另一個技術節點需要更多的時間。
編輯：黃飛
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工商網監
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