IC基板 - アナログ集積回路と信号処理

アナログ集積回路とは、主にコンデンサ、抵抗器、トランジスタなどからなる集積回路を指し、アナログ信号を集積処理する。オペアンプ、アナログ乗算器、位相ロックループ、電源管理チップなどのアナログ集積回路が多数存在する。アナログ集積回路の主要な部品はアンプ、フィルタ、フィードバック回路、参照源回路、スイッチングコンデンサ回路などを含む。

アナログ集積回路の特性

デジタル集積回路に比べて、アナログ集積回路における特殊な素子は素子の使用と回路構造の面で特徴がある。

1.単一部品の精度はそれほど高くなく、温度の影響も大きい。しかし、同じシリコンウェハ上で同じプロセスを用いて製造されたアセンブリは、比較的一貫した性能またはより良いアセンブリ対称性を有する。

2.回路中の素子はすべて同じシリコンウエハに集中し、しかも互いに非常に接近しているため、温度差が大きくなく、しかも同じタイプの素子の温度特性が同じであるため、温度対称性が良い。

3.抵抗器の抵抗範囲には一定の制限があり、通常は数十オームから数万オームの間で、高すぎても低すぎても製造しにくい。

4.容量は一般的に100 pFを超えず、大きなコンデンサは製造しにくい。インダクタンスについては、非常に小さな値に制限されているので、できるだけ避けるべきです。

5.縦方向npn管のp値は相対的に大きく、横方向pnp管のp値は小さいが、そのpn接合耐圧は高い。様々な集積素子の中で、縦方向NPNトランジスタの占有面積は小さく、性能は良好であるが、抵抗器とコンデンサの占有面積は大きく、範囲は狭い。

アナログ集積回路の原理

情報技術では、デジタル集積回路はデジタル信号が搬送する情報を処理する上で主導的な役割を果たしており、デジタル信号は時間と数量の両方に離散値を持っている。しかし、自然界では、風の音や水の流れなど、時間や量の変化が連続しています。これらの信号はアナログ信号と呼ばれています。したがって、アナログ信号を処理するための回路をアナログ回路と呼び、アナログ情報を処理するための集積回路をアナログ集積回路と呼ぶ。デジタル回路は、処理や転送の便宜のためだけに自然と直接やり取りすることはできない。デジタルシステムの優位性を十分に利用するために、まずアナログ信号をデジタル信号に変換し、容量が大きく、速度が速く、耐干渉能力が高く、機密性が良い現代デジタルシステムに入力し、それからアナログ信号出力に変換する。

集積回路の主役はトランジスタであり、アナログ集積回路も例外ではない。しかし、これらはトランジスタの増幅効果を利用し、デジタル集積回路はトランジスタのスイッチング効果を利用する。初期のアナログ集積回路の多くはバイポーラ結晶管を使用していた。CMOS技術の成熟により、初期のCMOS回路の速度が遅いという欠点を克服し、消費電力が低く、プロセスのアップグレードが便利（CMOSの等比率を減少）という利点がある。現在では、アナログ集積回路とデジタルモードハイブリッド集積回路（デジタル回路とアナログ回路が統合されている）もCMOSを用いて設計され実装されることが多い。

アナログ集積回路の分類

アナログ集積回路製品は3種類に分けられる：第1類は汎用回路であり、例えば演算増幅器、乗算器、位相ロックリング、能動フィルタ及びアナログ数とアナログ数変換、第2類はオーディオシステム、テレビ受信機、ビデオデッキ、通信システムなどの専用集積回路シリーズである。第3のクラスは、シングルチップ送信機、シングルチップ受信機などのシングルチップ統合システムである。

アナログ集積回路の応用

アナログ集積回路の基本回路は電流源、単段増幅器、フィルタ、フィードバック回路、カレントミラー回路などを含む。これらからなる上位基本回路は演算増幅器と比較器であり、上位回路はスイッチング容量回路、位相ロックループ、ADC/DACなどを含む。アナログ集積回路は、出力信号と入力信号との応答関係に応じて、線形集積回路と非線形集積回路の2種類にさらに分類することができる。

前者の出力信号と入力信号の間の応答は通常線形であり、出力信号の形状は入力信号と似ているが、固定係数によって増幅され、増幅されている。非線形集積回路の出力信号の入力信号に対する応答は、二乗関係、対数関係などの非線形関係を示すため、非線形回路と呼ばれる。一般的な非線形回路としては、発振器、タイマ、位相同期ループ回路などが挙げられる。アナログ集積回路の典型的な応用は下図の通りである。温度、湿度、光学、圧電、音響などの各種センサやアンテナによって収集された外部自然信号、アナログ回路により前処理され、適切なデジタル信号に変換されてデジタルシステムに入力される、デジタルシステムで処理された信号はアナログ回路で処理され、音声、画像、電波などのアナログ信号に変換されて出力される。

PCB設計ではアナログ信号をどのように処理しますか。

アナログ信号の連続性のため、電圧変化はアナログ信号に顕著な影響を与え、アナログ信号は最終的に電圧信号である。したがって、従来のPCB設計では、通常、配線を10〜15 milに厚くする必要があった。

第二に、アナログ信号の耐干渉性は相対的に劣っているので、隔離と参照地を考慮しなければならない。分離には、まず、デジタル領域とアナログ領域を分離し、デジタル領域とアナログ領域を分離して、それらの間のクロストークを回避することが含まれます。

アナログ集積回路は非常に重要な電子デバイスであり、様々な信号処理タスクを完了することができ、様々な分野で広く応用されている。