Chất nền IC - Mạch tích hợp analog và xử lý tín hiệu

Mạch tích hợp analog chủ yếu đề cập đến mạch tích hợp bao gồm tụ điện, điện trở, bóng bán dẫn, v.v., để xử lý tích hợp tín hiệu analog. Có rất nhiều mạch tích hợp tương tự, chẳng hạn như bộ khuếch đại hoạt động, nhân tương tự, vòng khóa pha, chip quản lý năng lượng, v.v. Các thành phần chính của mạch tích hợp tương tự bao gồm bộ khuếch đại, bộ lọc, mạch phản hồi, mạch nguồn tham chiếu, mạch tụ chuyển mạch, v.v.

Mạch tích hợp analog

Các tính năng của mạch tích hợp analog

So với các mạch tích hợp kỹ thuật số, các thành phần đặc biệt trong các mạch tích hợp tương tự có các đặc điểm riêng về cả việc sử dụng thành phần và cấu trúc mạch.

1: Độ chính xác của các thành phần riêng lẻ không cao lắm và bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiệt độ. Tuy nhiên, các thành phần được sản xuất bằng cùng một quy trình trên cùng một tấm silicon có hiệu suất tương đối nhất quán hoặc đối xứng thành phần tốt hơn.

2: Bởi vì các thành phần trong mạch được tập trung trên cùng một tấm silicon, và rất gần nhau, do đó, chênh lệch nhiệt độ không lớn, và đặc tính nhiệt độ của cùng một loại thành phần là như nhau, vì vậy đối xứng nhiệt độ là tốt.

3: Phạm vi điện trở của điện trở có những hạn chế nhất định, thường là từ vài chục ohms đến vài chục nghìn ohms, quá cao hoặc quá thấp không dễ sản xuất.

4: Tụ điện thường không vượt quá 100pF, tụ điện lớn không dễ sản xuất. Đối với cảm ứng, nó được giới hạn ở các giá trị rất nhỏ và nên tránh càng nhiều càng tốt.

5: Giá trị p của ống npn theo chiều dọc là tương đối lớn, trong khi giá trị p của ống pnp bên là nhỏ, nhưng áp suất nút pn của nó cao hơn. Trong số các thành phần tích hợp khác nhau, bóng bán dẫn NPN dọc có dấu chân nhỏ và hoạt động tốt, trong khi điện trở và tụ điện có dấu chân lớn và phạm vi hẹp.

Nguyên tắc mạch tích hợp analog

Trong công nghệ thông tin, các mạch tích hợp kỹ thuật số đóng vai trò hàng đầu trong việc xử lý thông tin được thực hiện bởi các tín hiệu kỹ thuật số có giá trị rời rạc cả về thời gian và số lượng. Tuy nhiên, sự thay đổi về thời gian và số lượng tín hiệu trong tự nhiên là liên tục, chẳng hạn như âm thanh của gió, dòng chảy, v.v. Những tín hiệu này được gọi là tín hiệu tương tự. Tương ứng, các mạch được sử dụng để xử lý tín hiệu tương tự được gọi là mạch tương tự, trong khi các mạch được sử dụng để xử lý thông tin tương tự được gọi là mạch tích hợp tương tự. Các mạch kỹ thuật số không thể tương tác trực tiếp với thiên nhiên chỉ để thuận tiện cho việc xử lý hoặc truyền tải. Để tận dụng tối đa lợi thế của hệ thống kỹ thuật số, trước tiên chuyển đổi tín hiệu analog thành tín hiệu kỹ thuật số, đầu vào hệ thống kỹ thuật số hiện đại với công suất lớn, tốc độ nhanh, khả năng chống nhiễu mạnh và bảo mật tốt, sau đó chuyển đổi sang đầu ra tín hiệu analog.

Nhân vật chính của mạch tích hợp là bóng bán dẫn, mạch tích hợp tương tự cũng không ngoại lệ. Tuy nhiên, chúng sử dụng hiệu ứng khuếch đại của bóng bán dẫn, trong khi mạch tích hợp kỹ thuật số sử dụng hiệu ứng chuyển đổi của tinh thể. Hầu hết các mạch tích hợp analog ban đầu sử dụng ống tinh thể lưỡng cực. Do sự trưởng thành của công nghệ CMOS, nó khắc phục được những nhược điểm của tốc độ chậm của mạch CMOS trước đó, với ưu điểm là tiêu thụ điện năng thấp và nâng cấp quy trình thuận tiện (giảm tỷ lệ CMOS, v.v.). Ngày nay, các mạch tích hợp analog và các mạch tích hợp lai kỹ thuật số-analog (được tích hợp với nhau) cũng thường được thiết kế và thực hiện bằng CMOS.

Phân loại mạch tích hợp analog

Các sản phẩm mạch tích hợp tương tự được chia thành ba loại: loại đầu tiên là các mạch đa năng, chẳng hạn như bộ khuếch đại hoạt động, bộ nhân, vòng khóa pha, bộ lọc hoạt động và chuyển đổi mô-đun và mô-đun; Loại thứ hai là dòng mạch tích hợp chuyên dụng, chẳng hạn như hệ thống âm thanh, máy thu TV, máy ghi video và hệ thống truyền thông; Loại thứ ba là hệ thống tích hợp chip đơn, chẳng hạn như máy phát chip đơn, máy thu chip đơn, v.v.

Ứng dụng mạch tích hợp analog

Các mạch cơ bản của mạch tích hợp tương tự bao gồm nguồn hiện tại, bộ khuếch đại một giai đoạn, bộ lọc, mạch phản hồi, mạch gương hiện tại, v.v. Mạch cơ bản cao hơn bao gồm chúng là bộ khuếch đại hoạt động và bộ so sánh, mạch mẹ bao gồm mạch tụ chuyển mạch, vòng khóa pha, ADC/DAC, v.v. Dựa trên mối quan hệ đáp ứng giữa tín hiệu đầu ra và đầu vào, mạch tích hợp analog có thể được chia thành hai loại: mạch tích hợp tuyến tính và mạch tích hợp phi tuyến tính.

Phản ứng giữa tín hiệu đầu ra và đầu vào trước đây thường là tuyến tính và tín hiệu đầu ra có hình dạng tương tự như tín hiệu đầu vào ngoại trừ nó được khuếch đại và khuếch đại bởi các hệ số cố định. Phản ứng của tín hiệu đầu ra đối với tín hiệu đầu vào của mạch tích hợp phi tuyến thể hiện mối quan hệ phi tuyến như bình phương, logarit, v.v., do đó được gọi là mạch phi tuyến. Các mạch phi tuyến phổ biến bao gồm dao động, bộ hẹn giờ, mạch vòng khóa pha, v.v. Các ứng dụng điển hình của mạch tích hợp tương tự được hiển thị trong hình dưới đây. Tín hiệu tự nhiên bên ngoài được thu thập bởi các cảm biến hoặc ăng-ten khác nhau, chẳng hạn như nhiệt độ, độ ẩm, quang học, áp điện và âm thanh, Tiền xử lý bởi mạch analog và chuyển đổi thành tín hiệu kỹ thuật số thích hợp để nhập vào hệ thống kỹ thuật số; Các tín hiệu được xử lý bởi các hệ thống kỹ thuật số được xử lý thông qua các mạch tương tự và được chuyển đổi thành tín hiệu tương tự như âm thanh, hình ảnh và sóng vô tuyến để xuất.

Làm thế nào để xử lý tín hiệu analog trong thiết kế PCB?

Do tính liên tục của tín hiệu analog, sự thay đổi điện áp có ảnh hưởng đáng kể đến tín hiệu analog và tín hiệu analog cuối cùng là tín hiệu điện áp. Do đó, trong thiết kế PCB truyền thống, thường cần phải dày dây đến 10-15 triệu.

Thứ hai, khả năng chống nhiễu của tín hiệu analog tương đối kém, vì vậy cần xem xét cách ly và tham chiếu. Sự cô lập bắt đầu bằng cách tách khu vực kỹ thuật số khỏi khu vực tương tự và tách khu vực kỹ thuật số và khu vực tương tự để tránh nhiễu xuyên âm giữa chúng.

Mạch tích hợp analog là một thiết bị điện tử rất quan trọng có thể hoàn thành các nhiệm vụ xử lý tín hiệu khác nhau và có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.