Нас окружают «цифровые» устройства: цифровые камеры, цифровые телевизоры, цифровая связь (сотовые телефоны и Wi-Fi), интернет и так далее. Почему же тогда нас все еще должны интересовать аналоговые схемы? Разве аналоговый дизайн не стар и не вышел из моды? Появятся ли через десять лет даже рабочие места для разработчиков аналоговых устройств? Интересно, что эти вопросы поднимались каждые пять лет на протяжении последних 50 лет, но в основном теми, кто либо не понимал аналогового дизайна, либо не хотел иметь дело с его проблемами. Давайте постараемся разобраться почему аналоговый дизайн по-прежнему важен, актуален и сложен, и останется таковым в ближайшие десятилетия.
Почему аналоговый?
Многие электронные системы выполняют две основные функции: они принимают сигнал, а затем обрабатывают и извлекают из него информацию. Ваш сотовый телефон принимает радиочастотный (РЧ, англ. RF, radio-frequency) сигнал и после его обработки передает голосовую информацию или данные. Точно так же ваша цифровая камера определяет интенсивность света, излучаемого различными частями объекта, и обрабатывает результат для извлечения изображения.
Мы интуитивно знаем, что сложная задача обработки предпочтительно выполняется в цифровой области. Фактически, мы можем задаться вопросом, можем ли мы напрямую оцифровать сигнал и избежать каких либо операций в аналоговой области. На рисунке ниже показан пример, в котором радиочастотный сигнал, принимаемый антенной, оцифровывается аналого-цифровым преобразователем (АЦП, англ. ADC, analog-todigital converter) и полностью обрабатывается в цифровой области. Отправит ли этот сценарий разработчиков аналоговых и радиочастотных
устройств на биржу труда?
Ответ категорический — нет. Предполагаемый АЦП, который мог бы оцифровывать крошечный радиочастотный сигнал, потреблял бы гораздо больше энергии, чем современные приемники сотовых телефонов. Более того, даже если бы этот подход был серьезно рассмотрен, только разработчики аналоговых сигналов смогли бы его разработать. Ключевым моментом, в этом примере, является то, что интерфейс считывания по-прежнему требует высокопроизводительной аналоговой конструкции.
Рассмотрим еще один интересный пример проблем, который возникает при изучении сигналов мозга. Каждый раз, когда нейрон в вашем мозгу «срабатывает», он генерирует электрический импульс высотой в несколько милливольт и длительностью в несколько сотен микросекунд [рис. 1.2(а)]. Для мониторинга активности мозга нейронная записывающая система может использовать десятки «зондов» (электродов) [рис. 1.2 (b)], каждый из которых воспринимает серию импульсов. Теперь сигнал, производимый каждым датчиком, должен быть усилен, оцифрован и передан по беспроводной сети, чтобы пациент мог свободно перемещаться [рис. 1.2 (c)]. Электроника считывания, обработки и передачи в этой среде должна потреблять небольшое количество энергии по двум причинам: (1) чтобы позволить использовать небольшую батарею в течение нескольких дней или недель, и (2) чтобы минимизировать повышение температуры микросхемы, которая в противном случае может повредить ткани пациента. Среди функциональных блоков, показанных на рис. 1.2 (c), усилители, АЦП и ВЧ-передатчик — все это аналоговые схемы, которые потребляют большую часть энергии.
Когда цифровые сигналы становятся аналоговыми?
Использование аналоговых схем не ограничивается аналоговыми сигналами. Если цифровой сигнал настолько мал и/или настолько искажен, что цифровой вентиль не может его правильно интерпретировать, тогда должен вмешаться разработчик аналоговых сигналов. Например, рассмотрим длинный USB-кабель, по которому скорость передачи данных между двумя ноутбуками составляет сотни мегабит в секунду. Как показано на рис. 1.3, портативный компьютер 1 передает данные по кабелю в виде последовательности единиц и нулей.
К сожалению, кабель имеет ограниченную полосу пропускания, ослабляя высокие частоты и искажая данные, когда они достигают портативного компьютера 2. Это устройство теперь должно выполнять считывание и обработку, первое из которых требует аналоговой схемы (называемой «эквалайзером»), которая корректирует искажения. Например, поскольку кабель ослабляет высокие частоты, мы можем спроектировать эквалайзер для усиления таких частот, как концептуально показано на рис. 1.3 в виде графика 1/|H|.
Читатель может задаться вопросом, может ли задача выравнивания на рис. 1.3 быть выполнена в цифровой области. То есть, можем ли мы напрямую оцифровать полученный искаженный сигнал с цифровой коррекцией для кабеля с ограниченной полосой пропускания, а затем выполнять стандартную обработку сигнала USB? Действительно, это возможно, если требуемый здесь АЦП требует меньшей мощности и меньшей сложности, чем аналоговый эквалайзер. После подробного анализа аналоговый дизайнер решает, какой подход использовать, но мы интуитивно знаем, что при очень высоких скоростях передачи данных, например, десятки гигабит в секунду, аналоговый эквалайзер оказывается более эффективным, чем АЦП.
Вышеупомянутая задача выравнивания иллюстрирует общую тенденцию в электронике: на более низких скоростях более эффективно оцифровывать сигнал и выполнять требуемую функцию(ии) в цифровой области, тогда как на более высоких скоростях мы реализуем функцию(ии) в аналоговом домене. Граница скорости между этими двумя парадигмами зависит от характера проблемы. Однако отметим, что со временем эта граница скорости достаточно сильно увеличилась.
Аналоговый дизайн пользуется большим спросом
Несмотря на огромный прогресс в полупроводниковой технологии, аналоговый дизайн по-прежнему сталкивается с новыми проблемами, что требует инноваций. Чтобы измерить спрос на аналоговые схемы, мы можем рассмотреть статьи, опубликованные промышленными и академическими кругами на конференциях по схемам, и увидеть, какой процент приходится на аналоговую область.
ISSCC за последние годы
На рис. 1.4 показано количество статей по аналоговым технологиям, опубликованных на Международной конференции по твердотельным
схемам (ISSCC) за последние годы, где «аналог» определяется как статья, требующая знаний в области проектирования аналоговых микросхем. Заметьте, что большинство статей связано с аналоговым дизайном. Это верно даже при том, что аналоговые схемы обычно намного менее сложные, чем цифровые; АЦП содержит несколько тысяч транзисторов, тогда как микропроцессор использует миллиарды.
Проблемы аналогового дизайна
Сегодняшним разработчикам аналоговых устройств приходится решать интересные и сложные задачи. Обозначим основные из них.
Недостатки транзисторов
В результате масштабирования транзисторы продолжают становиться быстрее, но за счет своих «аналоговых» свойств. Например, максимальное усиление напряжения, которое может обеспечить транзистор, уменьшается с каждым новым поколением КМОП-технологии (КМОП, комплементарная структура металл-оксид-полупроводник; англ. CMOS, complementary metal-oxide-semiconductor). Более того, характеристики транзистора могут зависеть от его окружения, то есть от размера, формы и расстояния до других компонентов на кристалле вокруг него.
Уменьшение напряжения питания
В результате масштабирования устройств напряжение питания КМОП схем изменилось. Неизбежно упало с примерно 12 В в 1970-х годах до примерно 0,9 В. Многие конфигурации схем не выдержали этого уменьшения питания и были отброшены. Мы продолжаем искать новые топологии схем, которые хорошо работают при низких напряжениях.
Потребляемая мощность
Полупроводниковая промышленность более чем когда-либо стремится к проектированию с низким энергопотреблением. Эти усилия применимы как к портативным устройствам — чтобы увеличить срок службы их батарей, — так и к более крупным системам, чтобы снизить затраты на отвод тепла и уменьшить их зависимость от земных ресурсов. Масштабирование МОП-устройства напрямую снижает энергопотребление цифровых схем, но его влияние на аналоговые схемы намного сложнее.
Сложность схем
Сегодняшние аналоговые схемы могут содержать десятки тысяч транзисторов, что требует длительного и утомительного моделирования. Действительно, современные разработчики аналоговых устройств должны быть столь же искусными в SPICE, как и в симуляторах более высокого уровня, таких как MATLAB.
Вариации PVT
Многие параметры устройства и схемы зависят от процесса изготовления (process), напряжения питания (supply voltage) и температуры (temperature) окружающей среды. Мы обозначаем эти эффекты как PVT (process-voltage-temperature) и проектируем схемы так, чтобы их производительность была приемлемой для указанного диапазона вариаций PVT. Например, напряжение питания может изменяться от 1 В до 0,95 В, а температура от 0 до 80 градусов. Надежная аналоговая конструкция в КМОП-технологии — сложная задача, поскольку параметры устройств значительно различаются в зависимости от PVT.
Почему интегрированные микросхемы?
Идея размещения нескольких электронных устройств на одной подложке возникла в конце 1950-х годов. За 70 лет технология эволюционировала от производства простых микросхем, содержащих небольшое количество компонентов, до флэш-накопителей с одним триллионом транзисторов, а
также микропроцессоров, содержащих несколько миллиардов устройств. Как предсказывал Гордон Мур (Gordon Moore, один из основателей Intel) в начале 1970-х годов, количество транзисторов на чип продолжало удваиваться примерно каждые полтора года. В то же время минимальный размер транзисторов снизился с примерно 25 мкм в 1960 году до примерно 12 нм в 2015 году, что привело к огромному увеличению быстродействия интегральных схем.
Основываясь на рынке памяти и микропроцессоров, технологии интегральных схем также охватили аналоговые конструкции, обеспечивая сложность, скорость и точность, которых невозможно было бы достичь с помощью дискретных реализаций. Мы больше не можем создавать дискретные прототипы для прогнозирования поведения и производительности современных аналоговых схем.
Почему КМОП?
Идея полевых транзисторов металл-оксид-кремний (MOSFET) была запатентована Дж. Э. Лилиенфельдом (J. E. Lilienfeld) в начале 1930-х годов, задолго до изобретения биполярного транзистора. Однако из-за производственных ограничений МОП-технологии стали применяться намного позже, в начале 1960-х годов, когда первые несколько поколений производили только транзисторы n-типа. В середине 1960-х годов были представлены комплиментарные МОП-устройства (КМОП) (то есть с транзисторами как n-типа, так и p-типа), что положило начало революции в полупроводниковой промышленности.
Технологии КМОП быстро захватили цифровой рынок: КМОП-вентили рассеивали мощность только во время переключения и требовали очень небольшого количества устройств, что резко контрастировало с их биполярными аналогами или аналогами из GaAs. Вскоре также было обнаружено, что размеры МОП-устройств можно уменьшить легче, чем размеры других типов транзисторов.
Следующим очевидным шагом было применение КМОП-технологии в аналоговом дизайне. Низкая стоимость изготовления и возможность размещения как аналоговых, так и цифровых схем на одном кристалле, чтобы улучшить общую производительность и/или снизить стоимость
упаковки, сделали технологию CMOS привлекательной. Однако полевые МОП-транзисторы были медленнее и шумнее, чем биполярные транзисторы, и нашли ограниченное применение.
Как технология CMOS стала доминировать на аналоговом рынке?
Основной движущей силой было масштабирование устройства, поскольку оно продолжало улучшать скорость полевых МОП-транзисторов. Собственная скорость МОП-транзисторов увеличилась на порядки за последние 70 лет, превзойдя скорость биполярных устройств, даже несмотря на то, что последние также масштабировались (однако не так быстро).
Еще одно важное преимущество МОП-устройств перед биполярными транзисторами состоит в том, что первые могут работать при более низких напряжениях питания. В современной технологии КМОП-схемы работают от источников питания около 1 В, а биполярные схемы — около 2 В. Более низкие источники питания позволили снизить энергопотребление для сложных интегральных схем.
Подведем итоги
Сама конструкция аналоговых схем развивалась вместе с технологией и требованиями к характеристикам. По мере уменьшения габаритов устройств, падения напряжения питания интегральных схем и изготовления аналоговых и цифровых схем на одной микросхеме возникает множество конструктивных проблем, которые ранее не имели значения. Такие тенденции требуют, чтобы анализ и проектирование схем сопровождалось глубоким пониманием ограничений, налагаемых новыми технологиями. Фактически, в современной индустрии интегральных схем взаимодействие между всеми группами, от физиков устройств до проектировщиков систем, имеет важное значение для достижения высокой производительности и низкой стоимости конечного продукта.
Приведенные выше примеры и тенденции, лишний раз показывают, что современные решения не способны обходиться без аналоговой схемотехники. От поверхностного и беглого взгляда обывателя, который невольно использует в своей повседневной жизни достаточно большое количество, как он думает «чисто цифровых» устройств, скрывается огромный пласт работы аналоговых дизайнеров-проектировщиков.
P.S. Аналоговый дизайн используется практически везде.
