アナログ集積回路：現代エレクトロニクスの必須コンポーネント

アナログ集積回路はICのカテゴリの一つです。また、ほとんどの電子デバイスの基本コンポーネントです。

例えば、このタイプのICはほとんどのコンシューマーエレクトロニクスに見られます。なぜなら、ICがデジタルデバイス、コンピュータ、携帯電話などを動作させるのを助けるからです。

また、このICはワイドバンド信号やその他の高電力用途に有用です。代表例は555タイマー、オペアンプ、センサーなどです。

しかし、このデバイスがすべての電子デバイスに適用されるわけではありません。そこで、この記事ではアナログ集積回路について議論します。それが何であるか、なぜ必要かなどを学びます。

進みましょう！

アナログ集積回路とは？

アナログ集積回路の概要

出典：Wikimedia Commons

このデバイスはほとんどの電子デバイスの主要コンポーネントです。ゼロからフル電源電圧まで自由に動作する信号を扱うのを助けます。

また、回路は通常二つの入力を持ち、一つは正、もう一つは負。それぞれ非反転と反転入力です。

さらに、アナログ集積回路を構成するコンポーネントは：

• コンデンサ
• 抵抗
• 半導体
• インダクタ

このデバイスで以下を設計できます：

• 演算増幅器
• 発振器
• アクティブフィルター
• リニアレギュレーター
• ソフトウェアPLL（フェーズロックドループ）

しかし、抵抗、電力損失、電力利得などの半導体パラメータを考慮することが重要です。

言い換えれば、アナログ集積回路は熱、音、光などの様々なアナログ入力を変化させ、デジタル信号とゼロに変換して処理します。また、アナログ集積回路は電子デバイスより長寿命です。

なぜアナログエレクトロニクスが必要か？

アナログ集積スイッチ

出典：Wikimedia Commons

エレクトロニクス業界で進化があっても、アナログは依然として強力です。疑いなく、ほとんどのものはデジタルですが、数値を二進法で数値的に表現する方が便利です。例えば、「1」と「0」を「オン」と「オフ」として関連付けるのは簡単です。

デジタルIC設計とは異なり、アナログIC設計には以下により多くの焦点が必要です：

• すべての回路
• トランジスタの正確な特性
• サイズ

理由はシンプルです。今日、ほとんどのデバイスはデジタルなので、アナログIC設計者はプロセス特性と制約で作業を強いられます。なぜなら、プロセス特性と制約がデジタルICにより適しているからです。

アナログICの設計仕様

デジタルICと同様に、アナログ設計者は機能と仕様の配列から始めます。その後、様々な機能の動作モデルとアクティブモデルを使ってアナログIC制約をスケールダウン。

その結果、以下が得られます：

• プロセス特性
• タイプ
• デバイスサイズ

ほとんどの場合、以下が含まれます：

• コンデンサとインダクタ技術の追加
• 集積およびサブ回路の標準図形
• トランジスタ選択

また、HDL（VHDL-AMSなど）で高レベルシミュレーションやサブブロック制約の算出も可能です。

アナログICの設計フロー

アナログIC設計に必要な手順は以下の通り：

1. 設計仕様

• テストベンチ開発
• トポロジー
• 制約
• 仕様

2. 回路図設計フロー

• 回路シミュレーションと最適化
• 回路レベル回路図エントリー
• ブロックHDL仕様
• アーキテクチャHDLシミュレーション
• システムレベル回路図エントリー

3. 物理フロー

• テープアウト
• レイアウト後シミュレーション
• 寄生抽出
• レイアウト対回路図（LVS）
• 設計ルールチェック（DRC）
• PCellベースレイアウトエントリー

アナログ集積回路設計

シンプルなアナログIC設計

出典：ExplainthatStuff

確かに、アナログIC設計を考え出すにはプロセスを遵守する必要があります。手順には以下が含まれます（順不同）：

• 回路シミュレーション
• システム設計
• 回路設計
• 回路デバッグ
• システムデバッグ
• 検証
• システムシミュレーション
• 集積回路レイアウト設計
• 製造
• 相互接続
• コンポーネント設計
• デバイスデバッグ

しかし、アナログIC設計の実践的側面には以下が含まれます：

1. ブロックレベルシステム

セルレベルシステムとも呼ばれます。特定の集積回路のブロックレベル設計を作成するために必要な戦術が含まれます。設計が決まったら、それぞれをリンクして完全なブロックレベルシステムを形成。

2. コンポーネントレベル回路

ここで使用するコンポーネントはブロックレベルシステムの結果に基づきます。

適切なコンポーネントが揃ったら、それらを接続してコンポーネントレベル回路を作成。これをアナログ設計の主要回路として使用できます。シミュレーションにも機能します。

3. コンポーネントレベル回路の確認

コンポーネントレベル回路は確認にも使用できます。これは回路設計をシミュレーションした後に行われます。シミュレーション結果で、アナログICのコンポーネントレベル回路を検証。?

4. ICの作成

確かに、アナログ集積回路を作成するにはいくつかのステップがあります。まず、半導体材料を使って半導体ウェハーを作成。または出来合いの半導体ウェハーを入手。

その後、トランジスタ、コンデンサ、抵抗などの様々な電子部品をウェハーに追加。チップをパッケージングしてパッケージICを形成。

5. ICのテストとデバッグ

この段階でアナログ集積回路をテスト。チェック結果と推定結果を比較してデバッグ。すべて良好ならICプロトタイプの設計に進み、評価ボードと集積回路の特性評価にプロトタイプを使用。

アナログICとデジタルICの違い

以下の表はアナログICとデジタルICの違いをまとめたものです：

アナログIC	デジタルIC
アナログまたはリニアICは、時間に関して連続的に変化する信号で動作。	デジタルまたは非線形ICはバイナリ信号で動作。
アナログIC設計要件はデジタルICより広範囲。	デジタルIC設計要件はアナログICより緩やか。
アナログICの用途例：オシロスコープ、レーダー、航空機、PLL、宇宙など。	デジタルICの用途例：電卓、時計、マイクロプロセッサ、デジタル腕時計、コンピュータなど。
市販のアナログIC：マイクロ波増幅器、電圧比較器、レギュレーター、電圧乗算器など。	市販のデジタルIC：レジスタ、A/Dチップ、カウンター、D/Aチップ、フリップフロップ、マイクロプロセッサチップ、ロジックゲートなど。
デジタルICよりトランジスタ数が少ない。	デジタルICはアナログICよりトランジスタ数が多い。
出力と入力は連続的な値の範囲を扱える。結果は情報に比例。	デジタルICは二つの電圧（入出力）を持ち、二つの可能な値のみ。中間レベルなし。

アナログ集積回路の用途

アナログ集積回路は以下の用途に適用できます：

1. 電源管理回路

アナログICの設計を詳しく見ると、すべてのコンポーネントが電力を必要とすることがわかります。オンチップコンポーネント上の導体ネットワーク（電源管理回路）を使用して、オンチップで設計された必要な電力を供給できます。

電源管理回路

出典：Wikimedia Commons

また、電源管理回路（導体ネットワーク）は回路内の供給電力を設計・分析します。

2. 周波数ミキシング

確かに、周波数ミキシングは二つの異なる信号を回路に適用して新しい周波数を得ます。アナログ集積回路から周波数ミキサーを得られます。また、周波数ミキサーを使用して、異なる周波数範囲で信号形態を変更できます。

3. アクティブフィルタリング

もちろん、アナログICはアクティブフィルタリングに適しています。アクティブ電子部品を使用して性能を向上。フィルターは高価で嵩張るインダクタを防止すべきです。アクティブフィルターの構成には、多重帰還フィルター、サレンキーフィルターなどがあります。

最後に

アナログ集積回路は、コンポーネントの相互接続を持つ半導体ウェハーで構成されるデバイスです。興味深いことに、このタイプのICは信頼性が高くコスト効果的で、プロの回路設計者、ホビイスト、学生に最適です。

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