Che cos'è un circuito integrato (IC) analogico e come è progettato?

Un segnale analogico è una forma d'onda continua in cui un attributo fluttuante, come tensione o pressione, corrisponde a un'altra variabile dipendente dal tempo. In altre parole, una variabile è un analogo dell'altra. Il segnale passa da un valore all'altro e passa attraverso tutti i valori intermedi, da zero all'ampiezza completa.

I circuiti integrati (IC) analogici sono circuiti elettronici che elaborano i segnali analogici. Sono gli elementi alla base della maggior parte dei dispositivi elettronici e manipolano segnali come audio, temperatura, luce e tensione. A differenza degli IC digitali, che elaborano segnali on/off, gli IC analogici funzionano con l'intera gamma di valori di un segnale.

Gli IC analogici sono responsabili di funzioni quali amplificazione, filtraggio, miscelazione, modulazione e demodulazione. Sono ampiamente utilizzati in applicazioni in cui è essenziale un'elaborazione del segnale precisa ed efficiente. 

1. Rappresentazione del segnale: gli IC analogici funzionano con segnali continui in cui il valore cambia nel tempo. D'altra parte, gli IC digitali utilizzano segnali discreti che sono rappresentati in forma binaria (0 o 1).
2. Componenti dei circuiti: i circuiti analogici utilizzano resistori, induttori, condensatori, eccetera, mentre i componenti principali dei circuiti digitali sono porte logiche.
3. Precisione: i circuiti integrati analogici sono soggetti a disturbi e degradazione del segnale, che possono influire sulla loro precisione. I sistemi analogici sono inoltre soggetti a fattori ambientali come le variazioni di temperatura. Gli IC digitali offrono invece alta precisione grazie alla natura discreta dei segnali digitali. I sistemi digitali sono più resistenti a disturbi e interferenze esterne.
4. Complessità e funzionalità: la progettazione di circuiti analogici complessi può essere difficile a causa della variazione continua del segnale di ingresso. Questi circuiti integrati vengono comunemente utilizzati in amplificatori audio, sensori e filtri analogici. Gli IC digitali consentono operazioni logiche complesse, il che li rende adatti a microcontroller, archiviazione di memoria e attività di elaborazione del segnale digitale.
5. Efficienza energetica: i circuiti analogici consumano più energia ma possono essere più efficienti rispetto ai circuiti digitali. I circuiti digitali possono essere efficienti dal punto di vista energetico durante i periodi di bassa attività (quando i transistor sono principalmente in modalità standby) ma consumano più energia durante la commutazione e il calcolo attivo.

Il processo di progettazione dei circuiti integrati analogici coinvolge più fasi e una profonda conoscenza dell'elettronica e dei semiconduttori. Un processo di progettazione di chip analogici deve considerare le sfide di implementazione nelle prime fasi del ciclo di progettazione e utilizzare un software di simulazione per prevederne il funzionamento. I passaggi per la progettazione sono i seguenti:

Concettualizzazione e specifiche: il processo inizia definendo lo scopo e la funzionalità dell'IC. Gli ingegneri lavorano a stretto contatto con clienti ed esperti del settore per delineare i requisiti di prestazioni del circuito, i vincoli di potenza, le condizioni operative e le applicazioni di destinazione.

Progettazione di schemi: creare uno schema di alto livello del circuito utilizzando transistor, resistori, condensatori, ecc. Questo progetto delinea le interconnessioni tra i vari componenti e le loro funzioni. 

Verifica: prima di passare alla fabbricazione fisica, gli ingegneri devono utilizzare il software di simulazione SPICE per simulare il funzionamento del circuito. Questo passaggio consente di identificare potenziali problemi, perfezionare il progetto e ottimizzare le prestazioni. 

Progettazione del layout: una volta definito lo schema, gli ingegneri lo traducono in un layout fisico utilizzando strumenti CAD (Computer-Aided Design). Il layout prevede il posizionamento dei componenti, la progettazione delle interconnessioni e, soprattutto, l'integrità del progetto. Per un progetto robusto e affidabile, gli ingegneri prendono in considerazione fattori quali effetti parassiti, interferenze elettromagnetiche (EMI), dissipazione di calore, scariche elettrostatiche (ESD), , elettromigrazione (EM), caduta di tensione, ecc. Questa è la fase più dispendiosa in termini di tempo in cui i progettisti devono esaminare attentamente il progetto prima di passare alla fase successiva.

Fabbricazione: comporta la creazione di strati di materiali per creare dispositivi semiconduttori e interconnessioni. Il prodotto finale è sottoposto a controllo di qualità prima di essere immesso sul mercato.

L'analisi di signoff è una misura proattiva per ridurre i potenziali rischi di progetto, evitando in modo efficace costosi errori durante la produzione di silicio. L'utilizzo di precise simulazioni multifisiche migliora le prestazioni del progetto eliminando i margini di sicurezza superflui, migliorando la correlazione con i risultati del silicio. Garantire l'integrità della potenza e del segnale nelle prime fasi del ciclo di progettazione IP riduce in modo efficace i tempi di consegna e consente ai progettisti di eseguire con sicurezza il signoff. 

Ulteriori informazioni sul signoff del rumore di potenza e dell'affidabilità sono disponibili in questo white paper: Analog and Mixed Signal Workflows for Power and Reliability Signoff for SerDes IP and PMIC

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