Was ist ein analoger integrierter Schaltkreis und wie wird er entwickelt?

Ein analoges Signal ist eine kontinuierliche Wellenform, in der ein fluktuierendes Attribut wie Spannung oder Druck mit einer anderen zeitabhängigen Variable übereinstimmt. Mit anderen Worten: Die eine Variable ist ein Analogon der anderen. Das Signal geht von einem Wert zum anderen und durchläuft alle Zwischenwerte, von Null bis zur vollen Amplitude.

Analoge integrierte Schaltkreise (IC) sind elektronische Schaltkreise, die analoge Signale verarbeiten. Sie stellen die grundlegenden Teile der meisten elektronischen Geräte dar und verarbeiten Signale wie Ton, Temperatur, Licht und Spannung. Im Gegensatz zu digitalen ICs, die Ein/Aus-Signale verarbeiten, arbeiten analoge ICs mit dem gesamten Wertebereich eines Signals.

Analoge ICs sind für Funktionen wie Verstärkung, Filterung, Mischung, Modulation und Demodulation zuständig. Sie werden häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen eine genaue und effiziente Signalverarbeitung unerlässlich ist. 

1. Signaldarstellung: Analoge ICs arbeiten mit kontinuierlichen Signalen, deren Wert sich im Zeitverlauf verändert. Dagegen nutzen digitale ICs diskrete Signale, die in binärer Form (0 oder 1) dargestellt werden.
2. Schaltkreiskomponenten: Analoge Schaltkreise bestehen aus Widerständen, Induktoren, Kondensatoren usw., während die Hauptkomponenten digitaler Schaltkreise Logik-Gates sind.
3. Präzision und Genauigkeit: Analoge ICs sind anfällig für Rauschen und Signalverschlechterung, was ihre Präzision beeinträchtigen kann. Außerdem sind analoge Systeme anfällig für Umweltfaktoren wie Temperaturschwankungen. Digitale ICs hingegen bieten aufgrund der diskreten Natur digitaler Signale eine hohe Präzision und Genauigkeit. Digitale Systeme sind widerstandsfähiger gegen Rauschen und externe Störungen.
4. Komplexität und Funktionalität: Der Aufbau von komplexen analogen Schaltkreisen kann aufgrund der ständigen Schwankung des Eingangssignals eine Herausforderung darstellen. Diese ICs werden häufig in Audioverstärkern, Sensoren und analogen Filtern eingesetzt. Digitale ICs ermöglichen komplexe Logikoperationen und eignen sich daher für Mikrocontroller, Arbeitsspeicher und digitale Signalverarbeitungsaufgaben.
5. Energieeffizienz: Analoge Schaltkreise verbrauchen mehr Strom, können aber dennoch energieeffizienter sein als digitale Schaltkreise. Digitale Schaltkreise können in Phasen mit geringer Aktivität stromsparend sein (wenn sich Transistoren die meiste Zeit im Standby-Modus befinden), sie verbrauchen beim Schalten und bei der aktiven Berechnung aber mehr Energie.

Der Designprozess analoger ICs umfasst mehrere Stufen und ein sehr gutes Verständnis von Elektronik und Halbleitern. Beim Designprozess von analogen Chips müssen die Implementierungsherausforderungen schon früh im Designzyklus berücksichtigt werden und es muss Simulationssoftware verwendet werden, um das Verhalten vorherzusagen. Die Designschritte sind wie folgt:

Konzeptionierung und Spezifikationen: Der Prozess beginnt mit der Definition des Zwecks und der Funktionalität der ICs. Die Techniker*innen arbeiten eng mit Kund*innen und Expert*innen zusammen, um die Anforderungen an die Leistung, den Stromverbrauch, die Betriebsbedingungen und die Zielanwendungen des Schaltkreises herauszuarbeiten.

Schematischer Aufbau: Erstellen eines übersichtlichen Schaltplans des Schaltkreises mit Transistoren, Widerständen, Kondensatoren usw. In diesem Entwurf werden die Verbindungen zwischen den unterschiedlichen Komponenten und deren Funktionen dargestellt. 

Verifizierung: Bevor es an die physische Herstellung geht, müssen die Techniker*innen das Verhalten des Schaltkreises mit der SPICE-Simulationssoftware simulieren. Dieser Schritt hilft dabei, potenzielle Probleme zu erkennen, das Design zu verfeinern und die Leistung zu optimieren. 

Layout-Design: Nach der Erstellung des Schemas übertragen die Techniker*innen dieses mit Hilfe von CAD-Tools (Computer-Aided Design) in ein physisches Layout. Das Layout umfasst die Platzierung von Komponenten, das Design von Verbindungen und vor allem die Designintegrität. Um ein robustes und zuverlässiges Design zu entwickeln, müssen die Techniker*innen Faktoren wie parasitäre Effekte, elektromagnetische Interferenzen (EMS), Wärmeableitung, elektrostatische Entladung (ESD), Elektromigration (EM), IR-Abfall usw. berücksichtigen. Dies ist der zeitaufwändigste Schritt, bei dem das Design vor dem nächsten Schritt sorgfältig geprüft werden muss.

Herstellung: Dabei werden Materialschichten aufgetragen, um die Halbleiterbauteile und die Verbindungen herzustellen. Das Endprodukt wird vor der Markteinführung einer Qualitätssicherung unterzogen.

Die Signoff-Analyse ist eine proaktive Maßnahme zur Minderung potenzieller Projektrisiken, mit der sich kostspielige Fehler bei der Siliziumproduktion effektiv vermeiden lassen. Der Einsatz von präzisen Multiphysiksimulationen verbessert die Designleistung durch die Beseitigung unnötiger Sicherheitsabstände, was zu einer verbesserten Korrelation mit den Siliziumergebnissen führt. Die Sicherstellung der Strom- und Signalintegrität zu einem früheren Zeitpunkt im IP-Designzyklus verkürzt die Entwicklungszeit effektiv und erlaubt es den Designingenieur:innen, den Entwurf mit Zuversicht freizugeben. 

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