2020/3/2

關於電路以及數位電路和類比電路的比較

 

 

前言



首先,我想先談談電路這個東西,因為電路的領域很廣泛,
只要在一個迴路上能夠產生電流的構造就可以稱為是一個電路,
而積體電路則可以說是電路的子集,也就是專指在固體材料(通常是半導體)上構成的微小電路,而微電子學(Microelectronic)就是在研究這種電路,通常在空間長度上以微米或奈米為單位。
電路的功能主要是用來解決實際的問題,而所有電子學應用都涉及訊息或能量的傳輸。 





以下提及數位電路及類比電路的內容整理自維基百科及一些自己的註釋和修改。
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數位電路(Digital electronics

由許多的邏輯閘組成的電路。
主要進行數位訊號的處理,即訊號以0與1兩個狀態表示,因此抗干擾能力較強。
有各種閘電路正反器以及由它們構成的各種組合邏輯電路和序向邏輯電路。
一個數位系統一般由控制部件運算部件組成,在時脈的驅動下,控制部件控制運算部件完成所要執行的動作。

優點
  • 穩定性好。不像類比電路那樣易受雜訊的干擾。
  • 可靠性高。數位電路中只需分辨出訊號的有與無,故電路的元件參數,可以允許有較大的變化(漂移)範圍。
  • 能長期儲存。數位資訊可以利用某種媒介,如磁帶、磁碟、光碟等進行長時期的儲存。
  • 便於電腦處理。
  • 便於高度整合化。由於數位電路中基本單元電路的結構比較簡單,而且又允許元件有較大的分散性,這就使我們不僅可把眾多的基本單元做在同一塊矽晶圓上,同時又能達到大批次生產所需要的良率。

類比電路(Analog electronics

涉及連續函數形式類比訊號的電子電路。
「類比」二字主要指電壓(或電流)對於真實訊號成比例的再現。類比系統的訊號總是會遇到雜訊干擾的問題,而且小干擾的偏差還會累積起來,因此訊號較易受到干擾。
雜訊的來源:電路系統隨機的熱偏差、外部訊號干擾、設計欠佳的電子元件、原始訊號在長距離傳輸過程中的損耗、被放大器放大的小干擾。
降低雜訊的方法:使用遮蔽導線,或者在電路中引入低雜訊放大器(Low Noise Amplifier)。
類比電路常用的元件:


比較

訊號的表達方式:類比為連續性,數位為離散的0與1
雜訊:類比 > 數位
精度:類比訊號的解析度由物理層面的影響決定。數位訊號利用增加訊號的位數來增加解析度。
設計難度:類比 > 數位
 
對類比訊號能夠執行的操作,例如放大、濾波、限幅等,都可以對數位訊號進行操作。
事實上,所有的數位電路從根本上來說都是類比電路,其基本電學原理,都與類比電路相同。
CMOS就是由兩個類比的MOS構成的,其對稱、互補的結構,使它恰好能處理高低數位邏輯電平。
ps. 若在數位電路強行引入任意類比訊號而不進行額外處理,則可能造成量化雜訊

電子學發展史上第一個被發明出來並得到大規模生產的器件是類比的。後來,隨著微電子學的發展,數位技術的成本大大降低,加之計算機對於數位訊號的要求,使得數位式的方法在人機互動等領域具有可行性和較高的性價比。

類比電路是數位電路的基礎,數位電路可以看作是類比電路的一種特殊形式。
 (類比的固態元件做成數位的邏輯閘) 


數位電路與類比電路的橋樑

通過類比數位轉換器數位類比轉換器,數位電路可以和類比電路互相連接。
轉換位數是類比數位轉換器的一項關鍵參數。



PS.微電子學與訊息技術的關係

微電子學是一門發展極為迅速的學科,發展方向為高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是。
訊息技術發展的方向是多媒體(智慧化)、網絡化和個體化。要求系統獲取和儲存海量的多媒體訊息、以及高速度精確可靠的處理和傳輸這些訊息並及時地把有用的訊息顯示出來或用於控制。所有這些只能依賴於微電子技術的支持才能成為現實。

超高容量、超高速、超高頻、超低功耗是訊息技術無止境的追求目標,是微電子技術迅速發展的動力。


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資料來源:
[1] 類比電路,Wikipedia
[2] 數位電路,Wikipedia
[3] 微電子學,Wikipedia


2020/1/13

摩爾定律後的IC設計將何去何從?

這篇文章是看了以下的影片才產出的,
先說喔,我沒有完整看完,不過還是大致摘要一下重點。



這個影片來自IEEE SSCS(Solid-State Circuits Society,固態電路學會)的 Youtube 頻道,內容是 CICC(Custom Integrated Circuits Conference)2019 會議的其中一講。

講者:
Dr. Greg Yeric



有一點積體電路基本背景知識的人大概知道摩爾定律(Moore’s Law)在半導體製程上的神預測吧!隨著晶片做得越來越小(10nm->7nm->5nm->3nm->2nm-> ?)IC設計也面臨了新的挑戰。
在縮小晶片的過程中,我們將研究日益複雜的縮放方法,這些方法可能會啟用更多的摩爾定律節點。這是目前比較簡單的事了!

同時,新技術可能會在短期和短期內為我們提供其他的發展工具。在不久的將來,先進的封裝技術和新型的非揮發性記憶體(Non-Volatile Memory,縮寫:NVM)將變得可用,從長遠來看,我們可能會看到完全不同的計算技術,例如自旋電子學(spintronics),低溫計算(cryogenic computing)和光子學(photonics)。

講者用一些實際的例子提出,在 3DIC 和 eNVM 上仍有非常多電路設計的空間。
在軟體上,EDA 工具也有很多新功能可以去做,像是 3DIC 的設計工具。




在 CMOS 製程之後呢?



 講者提出,往後的製程將很有可能往 3DIC 和異質結構的方向前進,而電路設計方面則會往系統設計(System-Level)的方向發展。