아날로그 집적 회로: 현대 전자 기기의 필수 부품

아날로그 집적 회로는 IC의 한 범주입니다. 또한 대부분의 전자 기기의 기본 구성 요소입니다.

예를 들어, 이 타입의 IC는 대부분의 가전제품에서 찾아볼 수 있습니다. 왜냐면 IC가 디지털 기기, 컴퓨터, 휴대폰 등의 작동을 돕기 때문입니다.

또한 이 IC는 광대역 신호와 기타 고전력 응용에 유용합니다. 대표적인 예로 555 타이머, 연산 증폭기, 센서 등이 있습니다.

하지만 모든 전자 기기에 적용되는 것은 아닙니다. 그래서 아날로그 집적 회로에 대해 논의하는 이 글을 만들었습니다. 무엇인지, 왜 필요한지 등을 배우게 될 것입니다.

진행해 봅시다!

아날로그 집적 회로란?

아날로그 집적 회로 개요

출처: 위키미디어 커먼즈

이 소자는 대부분의 전자 기기의 주요 구성 요소입니다. 또한 제로에서 전체 전원 공급 전압까지 자유롭게 실행되는 신호를 처리합니다.

회로는 보통 두 입력을 가지며, 하나는 양성이고 다른 하나는 음성입니다. 각 입력은 각각 비반전과 반전입니다.

아날로그 집적 회로를 구성하는 부품은:

• 커패시터
• 저항
• 반도체
• 인덕터

이 소자로 다음을 설계할 수 있습니다:

• 연산 증폭기
• 발진기
• 능동 필터
• 리니어 레귤레이터
• 소프트웨어 위상 고정 루프

하지만 저항, 전력 소모, 전력 이득 같은 반도체 파라미터를 고려하는 것이 중요합니다.

즉, 아날로그 집적 회로는 열, 소리, 빛 같은 다양한 아날로그 입력을 변경하여 디지털 신호와 0으로 변환해 처리합니다. 또한 아날로그 집적 회로는 전자 기기보다 수명이 더 깁니다.

왜 아날로그 전자 회로가 필요한가?

아날로그 집적 스위치

출처: 위키미디어 커먼즈

전자 산업이 발전했지만 아날로그는 여전히 강세입니다. 대부분 디지털화되었지만, 숫자를 이진법으로 수치적으로 표현하는 것이 더 편리합니다. 예를 들어 '1'과 '0'을 'ON'과 'OFF'로 연관 짓기 쉽습니다.

디지털 IC 설계와 달리 아날로그 IC 설계는 다음에 더 집중해야 합니다:

• 모든 회로
• 트랜지스터의 정확한 특성
• 크기

이유는 간단합니다. 요즘 대부분 기기가 디지털이라 아날로그 IC 설계자는 공정 특성과 제약 조건으로 작업해야 합니다. 왜냐하면 공정 특성과 제약이 디지털 IC에 더 적합하기 때문입니다.

아날로그 IC 설계 사양

디지털 IC처럼 아날로그 설계자도 기능과 사양 배열로 시작합니다. 이후 다양한 기능을 위한 작동 및 활성 모델을 사용해 아날로그 IC 제약을 축소합니다.

그런 다음 다음을 도출합니다:

• 공정 특성
• 타입
• 소자 크기

대부분 다음을 포함합니다:

• 커패시터 및 인덕터 기술 추가
• 집적 및 서브 회로의 표준 수치
• 트랜지스터 선택

VHDL-AMS 같은 HDL로 고수준 시뮬레이션과 서브 블록 제약 파악도 가능합니다.

아날로그 IC 설계 흐름

아날로그 IC 설계에 필요한 단계:

1. 설계 사양

• 테스트벤치 개발
• 토폴로지
• 제약 조건
• 사양

2. 회로도 설계 흐름

• 회로 시뮬레이션 및 최적화
• 회로 레벨 회로도 엔트리
• 블록 HDL 사양
• 아키텍처 HDL 시뮬레이션
• 시스템 레벨 회로도 엔트리

3. 물리적 흐름

• 테이프아웃
• 레이아웃 후 시뮬레이션
• 기생 성분 추출
• 레이아웃 대 회로도 검증 (LVS)
• 설계 규칙 검사 (DRC)
• PCell 기반 레이아웃 엔트리

아날로그 집적 회로 설계

단순한 아날로그 IC 설계

출처: ExplainthatStuff

아날로그 IC 설계를 위한 프로세스가 있습니다. 절차는 특정 순서 없이 다음을 포함합니다:

• 회로 시뮬레이션
• 시스템 설계
• 회로 설계
• 회로 디버그
• 시스템 디버그
• 검증
• 시스템 시뮬레이션
• 집적 회로 레이아웃 설계
• 제조
• 상호 연결
• 부품 설계
• 소자 디버그

하지만 아날로그 IC 설계의 실질적 측면은 다음을 포함합니다:

1. 블록 레벨 시스템

셀 레벨 시스템이라고도 합니다. 특정 집적 회로의 블록 레벨 설계를 만드는 데 필요한 전술을 포함합니다. 설계가 완료되면 각 블록을 연결해 완전한 블록 레벨 시스템을 만듭니다.

2. 부품 레벨 회로

여기서 사용할 부품은 블록 레벨 시스템 결과에 기반합니다.

적절한 부품을 갖춘 후 연결해 부품 레벨 회로를 만듭니다. 이를 아날로그 설계의 주 회로로 사용할 수 있습니다. 시뮬레이션에도 활용됩니다.

3. 부품 레벨 회로 확인

부품 레벨 회로는 확인용으로도 쓰입니다. 하지만 회로 설계 시뮬레이션 후 이루어집니다. 시뮬레이션 결과로 아날로그 IC의 부품 레벨 회로를 검증합니다.

4. IC 제작

아날로그 집적 회로 제작에는 여러 단계가 있습니다. 반도체 재료로 반도체 웨이퍼를 만들거나 기성 웨이퍼를 구할 수 있습니다.

이후 트랜지스터, 커패시터, 저항 등 다양한 전자 부품을 웨이퍼에 추가합니다. 칩을 패키징하여 패키지 IC를 만듭니다.

5. IC 테스트 및 디버깅

이 단계에서 아날로그 집적 회로를 테스트합니다. 검사 결과와 추정 결과를 비교해 디버깅합니다. 모든 게 좋아 보이면 IC 프로토타입 설계로 진행합니다. 프로토타입으로 평가 보드와 집적 회로 특성화를 수행합니다.

아날로그 IC와 디지털 IC의 차이

아래 표는 아날로그와 디지털 IC의 차이를 요약합니다:

아날로그 IC	디지털 IC
시간에 따라 끊임없이 변하는 신호(연속 신호)에서 작동	이진 신호(불연속)에서 작동
아날로그 IC 설계 요구사항이 디지털 IC보다 광범위함	디지털 IC 설계 요구사항이 아날로그 IC보다 덜 급진적
응용: 오실로스코프, 레이더, 항공기, PLL, 우주 등	응용: 계산기, 시계, 마이크로프로세서, 디지털 시계, 컴퓨터 등
상용 버전: 마이크로파 증폭기, 전압 비교기, 레귤레이터, 전압 배율기 등	상용 버전: 레지스터, A/D 칩, 카운터, D/A 칩, 플립플롭, 마이크로프로세서 칩, 로직 게이트 등
디지털 IC보다 트랜지스터 수가 적음	아날로그 IC보다 트랜지스터 수가 많음
입출력이 연속적인 값 범위를 처리. 결과는 입력에 비례	두 전압(입출력)이 두 가지 가능한 값만 가짐. 중간 레벨 없음

아날로그 집적 회로의 응용 분야

아날로그 집적 회로는 다음 응용에 적용 가능합니다:

1. 전력 관리 회로

아날로그 IC 설계를 자세히 보면 모든 부품에 전원이 필요합니다. 온칩 부품에 필요한 전력을 공급하기 위해 도체 네트워크(전력 관리 회로)를 사용할 수 있습니다.

전력 관리 회로

출처: 위키미디어 커먼즈

전력 관리 회로(도체 네트워크)는 회로 내 공급 전력을 설계하고 분석합니다.

2. 주파수 혼합

주파수 혼합은 두 가지 다른 신호를 회로에 적용해 새로운 주파수를 얻습니다. 아날로그 집적 회로에서 주파수 믹서를 얻을 수 있습니다. 주파수 믹서로 신호 형태를 다른 주파수 범위로 변경할 수 있습니다.

3. 능동 필터링

아날로그 IC는 능동 필터링에 적합합니다. 능동 전자 부품을 사용해 성능을 향상시킵니다. 필터는 비싸고 부피 큰 인덕터를 방지해야 합니다. 능동 필터 구성에는 다중 피드백 필터, 살렌-키 필터 등 다양한 종류가 있습니다.

마무리

아날로그 집적 회로는 부품 상호 연결이 있는 반도체 웨이퍼로 구성된 소자입니다. 이 타입의 IC는 신뢰성 있고 비용 효율적이며, 전문 회로 설계자, 취미가, 학생에게 이상적입니다.

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