Introduction of Analog Design

첫 번째 chapter는 Introduction of Analog Design이다.

digital이 대세인 오늘날에도 여전히 analog circuit engineer가 필요한 이유와 중요성에 대해서 알아본다.

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2022.02.13. 초안

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1.1 Why Analog?

서두에 언급한 대로, 우리는 digital의 세상에서 살고 있다. 휴대폰, 컴퓨터, 인터넷, 등 digital device 없는 현대인의 삶은 상상하기 어렵다. 그럼에도 Analog design은 여전히 수요가 존재할 뿐만 아니라 중요한 역할을 한다.

1.1.1 Sensing and Processing Signals

electronic system은 크게 두 가지 역할을 수행한다.

1. Sensing a signal
   신호를 감지(수신)한다.
2. Processing and extracting information from the signal
   수신한 신호에서 정보를 추출해서 처리한다.

복잡한 processing은, analog domain보다 digital domain에서 처리하는 것이 더 쉽고 편리하다. 하지만 실제 세상(real world)의 signal들은 모두 analog domain에 존재하고 이를 digital domain에서 processing하기 위해서는 Analog to Digital Converter(ADC)가 필요하다.

RF(Radio Frequency) 수신기의 예시를 보면 안테나로 부터 analog domain에 존재하는 RF signal을 ADC가 받아들여 digital로 변환 후, Digital Signal Processing(DSP)를 수행한다.

이때, 안테나로부터 수신되는 signal에는 발신기로부터의 신호뿐만 아니라 noise, interference 등 우리가 원하지 않는 성분들이 모두 포함되어 있다. 그래서 ADC는, 이러한 noise signal로부터 원하는 signal만을 얼마나 잘 추출해내는지(SNR, Signal-to-Noise Ratio)가 중요하다.

digital 방식의 ADC를 구현할 수도 있지만, analog designer만이 ADC 설계가 가능하다.

sensing challenge는 근래 각광받는 뇌과학과도 연관이 있다.

뉴런은 수백 μ초의 간격으로 수 mV의 전기 신호를 만들어내는데, 이를 monitoring하기 위해서는 저전력, 고성능의 analog sensor가 필요하다.

뉴런으로 부터 signal을 sensing했다면, 이번에는 processing할 차례이다.

굉장히 작은 생체 신호를 Amplifier를 통해 증폭하고 ADC를 통해 digital processor(processing은 digital domain에서 수행하는 것이 편리하다)로 보내진다. 이후 출력물을 RF TX(Transmitte)에서 안테나를 통해 데이터를 보내게 된다.

결과적으로 digital의 세상에서도 analog는 여전히 필요하며 중요한 역할을 한다.

1.1.2 When Digital Signals Become Analog

digital signal은 때때로 analog signal이 되기도 한다. 전자기학2에서 transmission line에 대해서 배울텐데 그 내용이다.

임의의 pulse를 Furier tranform해보면 수많은 주파수 성분으로 구성되어 있음을 알 수 있는데, transmission line에서는 주파수에 따라서 wave velocity가 달라진다. 결과적으로 전달하는 digital signal의 일부는 일찍 도착하고, 일부는 늦게 도착해서 신호가 왜곡된다.

transmission line에 대해서 잘 모르더라도 예시에서 직관적으로 알 수 있다. USB cable을 통해 데이터를 전송할 때 USB cable의 전달함수가 모든 주파수에 대해서 일정하지 않아서 전송된 데이터는 원래의 파형을 유지하지 못한다. 그래서 equalizer라고 하는 analog circuit을 통해 왜곡을 보정해준다. 예시에서는 USB cable 전달함수의 역수를 전달함수로 갖는 equalizer를 통해 간단히 보정이 가능하다.

1.2 Why Integrated?

왜 집적회로로 chip을 구현할까?

여러 전자소자를 따로 구현해서 연결하는 것보다 하나의 silicon die에 집적해서 구현하는 것이 다음과 같은 장점을 가진다.

• 대량생산
  모든 회로가 사전에 설계되어 일련의 공정을 거쳐서 대량으로 생산할 수 있다.
• 높은 연산속도와 낮은 전력소모
  모든 소자 및 회로가 인접하여 연결되어 있기 때문에 연산속도도 빠르고 전력소모도 낮다.

결론적으로 저렴한 가격으로 높은 성능의 device 제작이 가능하다는 것이다. 물론 한계점(Inductor의 집적, Current limit)도 존재하지만 장점에 비하면 사소하다.

1.3 Why CMOS?

MOS의 역사에 대해서 간단히만 살펴보자. Metal-Oxide-Silicon Filed-Effect-Transistors(MOSFETs)은 1930년대에 J.E.Lilienfeld가 이미 아이디어를 구상하였는데 기술적 한계로 인하여 1960년대 초에 최초로 n-type MOS 소자가 제작된다. 이후 1960년대 중반에 p-type MOS 소자가 제작되면서 우리가 아는 Complementary-MOS(CMOS)가 등장했다.

CMOS는, Bipolar-Junction Transistors(BJTs) 대비 필요한 소자의 갯수가 적고 switching 동작에서만 power를 소모하며 소현화가 쉽다는 특징 때문에 digital 분야에서 각광받았다.

analog circuit과 digital circuit을 하나의 substrate 위에 구현이 가능하다는 점 때문에 analog 분야에서도 CMOS에 대한 연구가 활발해졌다.

MOSFETs은 BJTs보다 느리고 noise가 큰 단점이 있었는데, MOSFETs이 지속적으로 소형화되고 성능개선이 이루어져 극복할 수 있었다. 그리고 BJTs보다 더 낮은 전원 전압에서도 동작할 수 있어서 오늘날 CMOS가 집적회로의 주류가 되었다.(BJT도 여전히 쓰인다.)

1.4 Analog Design Challenges

소자의 scale-down과 lower supply volatge에 따라서 analog 설계시 여러 challenge에 부딪히게 된다.

• Transistor Imperfections
  MOSFET은 소형화되면서 더 빨라지기는 했지만 analog 특성은 오히려 퇴보했다.(maximum voltage gain은 오히려 세대에 따라 감소한다) 게다가 이제는 소자 특성이 소자 자체적인 요인뿐만 아니라 외적인 요인(size, shape, distance of other components)에도 영향을 받는다.
• Declining Supply Voltages
  낮은 전원 전압은 digital designer에게는 환영이지만 analog designer에게는 골칫거리일 뿐이다.
• Power Consumption
  휴대용 기기의 수요가 증가함에 따라 power 소모는 점점 더 제한적이게 되었다. 따라서 analog circuit은 동일한 성능을 가지면서도 더 적은 power를 소모해야 한다.
• Circuit Complexity
  오늘날 analog circuit은 수천개의 transistor를 포함하고 있다. 이는 회로의 직관적인 해석을 어렵게하고 회로 검증을 위한 simulation이 굉장히 오래 걸린다.
• PVT Variations
  circuit parameter는 fabrication Process, supply Voltage, ambient Temperature(PVT) variation에 의해 영향을 받는다. 이러한 PVT variation에도 안정적으로 동작하는 circuit design이 필요하다.

device scaling과 decreased supply voltage는, digital 분야에서는 굉장히 큰 장점으로 다가오지만, analog 분야에서는 설계를 어렵게하는 주요 원인이다. analog designer로서 이러한 challenges를 극복할 수 있는 회로 개발이 필요하다.

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