아날로그 집적 회로(IC)란 무엇이며 어떻게 설계됩니까?

아날로그 신호는 전압 또는 압력과 같은 변동 속성이 다른 시간 종속 변수에 해당하는 연속적인 파형입니다. 즉, 한 변수는 다른 변수의 아날로그입니다. 신호는 한 값에서 다른 값으로 전달되고 0에서 전체 진폭까지 모든 중간 값을 통과합니다.

아날로그 집적 회로(IC)는 아날로그 신호를 처리하는 전자 회로입니다. 이는 대부분의 전자 장치의 기본 부품이며 오디오, 온도, 빛 및 전압과 같은 신호를 조작합니다. On/Off 신호를 처리하는 디지털 IC와 달리 아날로그 IC는 신호의 전체 값 범위에서 작동합니다.

아날로그 IC는 증폭, 필터링, 혼합, 변조 및 복조와 같은 기능을 담당합니다. 정확하고 효율적인 신호 처리가 필수적인 응용 분야에서 널리 사용됩니다. 

1. 신호 표현: 아날로그 IC는 시간이 지남에 따라 값이 변하는 연속 신호로 작동합니다. 반면에 디지털 IC는 이진 형태(0 또는 1)로 표현되는 이산 신호를 사용합니다.
2. 회로 구성 요소: 아날로그 회로는 저항기, 인덕터, 커패시터 등을 사용하지만 디지털 회로의 주요 구성 요소는 논리 게이트입니다.
3. 정밀도 및 정확성: 아날로그 IC는 정밀도에 영향을 줄 수 있는 노이즈와 신호 저하에 취약합니다. 아날로그 시스템은 온도 변화와 같은 환경적 요인에도 쉽게 영향을 받습니다. 반면 디지털 IC는 디지털 신호의 이산적 특성으로 인해 높은 정밀도와 정확성을 제공합니다. 디지털 시스템은 노이즈와 외부 간섭에 저항력이 더 큽니다.
4. 복잡성 및 기능성: 입력 신호의 지속적인 변화로 인해 복잡한 아날로그 회로를 설계하기가 어려울 수 있습니다. 이 IC는 일반적으로 오디오 증폭기, 센서 및 아날로그 필터에 사용됩니다. 디지털 IC는 복잡한 논리 연산을 허용하므로 마이크로컨트롤러, 메모리 저장 및 디지털 신호 처리 작업에 적합합니다.
5. 전력 효율성: 아날로그 회로는 더 많은 전력을 소비하지만 디지털 회로보다 전력 효율이 높습니다. 디지털 회로는 활동이 적은 기간(트랜지스터가 대부분 대기 모드에 있는 경우) 동안 전력 효율이 높을 수 있으며, 스위칭 및 활성 계산 중에 더 많은 전력을 소비합니다.

아날로그 IC의 설계 프로세스에는 여러 단계가 포함되며 전자 및 반도체에 대한 깊은 이해가 필요합니다. 아날로그 칩 설계 프로세스는 설계 주기 초기에 구현 문제를 고려하고 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 동작을 예측해야 합니다. 이를 설계하는 단계는 다음과 같습니다.

개념화 및 사양: 프로세스는 IC의 목적과 기능을 정의하는 것으로 시작됩니다. 엔지니어는 클라이언트 및 영역 전문가와 긴밀하게 협력하여 회로의 성능 요구 사항, 전력 제약, 작동 조건 및 대상 응용 분야를 개략적으로 설명합니다.

회로도 설계: 트랜지스터, 저항기, 커패시터 등을 사용하여 회로의 상위 수준 회로 다이어그램을 만듭니다. 이 청사진은 다양한 구성 요소와 해당 기능 간의 상호 연결을 간략하게 설명합니다. 

검증: 엔지니어는 물리적 제작으로 이동하기 전에 SPICE 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 회로 동작을 시뮬레이션해야 합니다. 이 단계는 잠재적인 문제를 식별하고 설계를 개선하며, 성능을 최적화하는 데 도움이 됩니다. 

레이아웃 설계: 회로도를 작성한 후 엔지니어는 CAD(Computer-Aided Design) 도구를 사용하여 그것을 물리적 레이아웃으로 변환합니다. 레이아웃에는 배치 구성 요소, 상호 연결 설계 및 가장 중요한 설계 무결성이 포함됩니다. 강력하고 신뢰할 수 있는 설계를 생성하기 위해 엔지니어는 기생 효과, 전자기 간섭(EMI), 방열, 정전기 방전(ESD), 일렉트로마이그레이션(EM), IR drop 등의 요소를 고려합니다. 이는 가장 시간이 많이 걸리는 단계로, 설계자가 다음 단계로 넘어가기 전에 설계를 철저히 조사해야 합니다.

제작: 여기에는 반도체 소자 및 상호 연결을 생성하기 위해 재료 층을 구축하는 과정이 포함됩니다. 최종 제품은 시장에 출시되기 전에 QA를 거칩니다.

사인오프 분석은 잠재적인 프로젝트 위험을 완화하여 실리콘 생산 중에 비용이 많이 드는 오류를 효과적으로 방지하기 위한 예방적 조치입니다. 정밀한 다중물리 시뮬레이션을 활용하면 불필요한 안전 마진을 제거하여 설계 성능이 향상됨으로써 실리콘 결과와의 상관관계가 개선됩니다. IP 설계 주기 초기에 전력 및 신호 무결성을 보장하면 처리 시간이 효과적으로 단축되고 설계 엔지니어가 확신을 갖고 승인할 수 있습니다. 

이 백서에서 전력 노이즈 및 안정성 사인오프에 대해 자세히 알아보십시오. SerDes IP 및 PMIC의 전력 및 안정성 사인오프를 위한 아날로그 및 혼합 신호 워크플로

관련 리소스