IT CookBook, 아날로그 CMOS 집적회로 설계 1장 “Razabi”2009 아날로그 설계의 소개 (Introduction to Analog Design) IT CookBook, 아날로그 CMOS 집적회로 설계 1장 “Razabi”2009

1 왜 아날로그인가? 2 왜 집적회로인가? 3 왜 CMOS인가? 4 일반개념

왜 아날로그인가 자연 신호의 디지털 화 더 좋은 감도를 위한 증폭과 필터링의 추가 자연 신호의 처리 자연 신호의 전기적인 버전은ADC에 의해 곧바로 디지털화하기에는 불가능할 정도의 작은 신호인 경우가 많음 이 신호들은 대개 신호대역 밖의 간섭자(interferer)를 동반하고 있음 신호 레벨을 증가시키기 위한 증폭기 와 신호대역 바깥의 성분들을 눌러주는 아날로그 필터를 추가하는 경우가 많음 고성능 증폭기 (amplifier)와 필터의 설계는 현재에도 활발하게 연구되는 주제 중의 하나임

디지털 통신 고속의 이진 데이터의 흐름이 긴 케이블을 통과하여 움직인다면 무슨 일이 일어날까? 유손실 케이블에서의 데이터의 감쇄와 왜곡 고속의 이진 데이터의 흐름이 긴 케이블을 통과하여 움직인다면 무슨 일이 일어날까? 신호는 감쇄와 함께“왜곡(distortion)”현상을 겪으면서 더 이상 원래의 디지털 파형과는 닮지 않게 됨

디지털 통신 요구 대역폭 감소를 위한 다중 레벨 신호체계의 사용 두 개의 연속적인 비트를 묶어서 4레벨 중 하나의 신호로 변환한다면, 각각의 레벨은 한 비트 주기의 두 배의 시간을 사용하게 되어 이진 데이터 전송에 필요한 대역폭의 절반만을 필요로 함 송신기에서는 이렇게 묶여진 이진 데이터로부터 다중 레벨을 만들어내기 위한 디지털-아날로그 변환기(DAC, digital-to-analog converter)를 필요로 함 수신기에서는 어떤 다중 레벨이 송신되었는지를 판단하기 위한 ADC를 필요로 함

디스크 드라이브 전자 공학 컴퓨터의 하드 디스크에 자기적으로 저장되는 데이터는 이진수의 형태임 저장된 데이터와 하드 디스크에서 검출된 데이터 컴퓨터의 하드 디스크에 자기적으로 저장되는 데이터는 이진수의 형태임 그 데이터가 마그네틱 헤드에 의해 읽혀져서 전기적인 신호로 변환될 때의 결과는 신호의 진폭은 단지 몇 밀리볼트[mV]에 불과하며, 잡음량은 매우 높고, 본질적인 왜곡을 겪음 검출된 신호는 증폭되고, 필터링되고, 추가의 신호처리를 위해 디지털화됨

무선 수신기 무선 수신기의 안테나에서 수신되는 신호 및 간섭자 휴대전화나 삐삐 같은 무선 주파수(RF, radio-frequency) 수신기의 안테나에 의해 픽업된 신호는 1 GHz 이상의 중심 주파수에서 단지 수 밀리볼트[mV]의 진폭을 보임. 그 신호는 큰 간섭자를 동반하고 있음 잡음, 동작 주파수, 간섭자에 대한 허용 능력, 전력 소모 간의 상충관계 및 원가 요소는 오늘날의 무선 산업에 있어서 주요한 도전 과제를 이루고 있음

광 수신기 광섬유 시스템 데이터를 레이저 다이오드(laser diode)를 이용하여 빛으로 변환한 후, 광대역과 작은 손실을 구현할 수 있는 광섬유(optical fiber)를 통해 송신함 수신단의 끝에서는 포토다이오드로 빛을 다시 작은 크기의 전류로 변환함 수신단에서는 고속의 낮은 레벨 신호를 처리해야 하므로 저잡음(low-noise) 광대역 회로의 설계가 필요함 최신의 광 수신기 들은 10~40 Gb/s의 범위에서 동작함

센서 기계적, 전기적 및 광학적 센서들은 우리의 일상에서 매우 중요한 역할을 하고 있음 (a) 간단한 가속도계, (b) 차동 가속도계 기계적, 전기적 및 광학적 센서들은 우리의 일상에서 매우 중요한 역할을 하고 있음 현대의 가속도계는 고정판(fixed plate)과 편향판(deflectable plate)으로 구성되는 가변 커패시터에 기반을 두고 있음 편향(deflection)은 가속도에 비례하는 커패시터 값의 변화가 되므로 커패시턴스의 변화를 정밀하게 측정할 수 있는 회로가 필요함 간단한 가속도계는 평판 사이의 커패시턴스 가 1% 이내로 변화하므로 정밀한 측정을 할 수 있는 인터페이스 회로의 설계가 상당히 어려움 반대 방향으로 변화하는 두 개의 커패시터를 사용하여 하나의 커패시턴스의 절대적인 값을 측정하기보다는 두 커패시턴스의 차이를 측정함으로써 부담을 줄일 수 있음

아날로그 설계는 왜 어려운 것일까? 디지털 회로는 주로 속도와 전력 소모의 한 가지 상충관계(trade-off)를 수반하는 반면에, 아날로그 설계는 속도, 전력 소모, 이득, 정밀도, 공급전압 등의 다중 차원의 상충관계를 다루어야 함 (2) 아날로그 회로는 신호처리를 위한 속도와 정밀도뿐 아니라, 디지털 회로보다 훨씬 더 잡음, 누화(漏話, crosstalk) 및 다른 간섭자(interferer)에 대해 민감함 (3) 소자의 2차 효과는 디지털 회로보다 아날로그 회로의 성능에 훨씬 더 많은 영향을 미침 (4) 고성능 아날로그 회로의 설계는 거의 자동화되지 않으며, 종종 모든 소자의“수공(hand-crafted)”을 요구함. 반면에, 많은 디지털 회로는 자동으로 합성되고 레이아웃될 수 있음

아날로그 설계는 왜 어려운 것일까? (5) 아날로그 회로에서의 많은 2차 효과들의 모델링과 시뮬레이션은 그간의 엄청난 발전에도 불구하고 계속해서 어려움이 나타나고 있으며, 이로 인해 설계자는 시뮬레이션 결과를 해석할 때 경험과 직관에 크게 의존해야 함. (6) 오늘날의 반도체 산업에서의 돌발 상황은 디지털 제품을 제조하기 위한 주류 IC 기술을 이용하여 아날로그 회로를 설계해야 한다는 것임. 디지털 응용을 위해 개발되고 특화된 기술은 아날로그 설계에 쉽게 정착되지 않으므로, 고성능 구현을 위해서는 때로 놀라운 회로 및 구조(architecture)가 필요함.

왜 집적화인가? 고든 무어(Gordon Moore, 인텔 창시자의 한 사람)는 1970년대 초에 칩 당 집적되는 트랜지스터의 개수는 1년 반 만에 두 배씩 계속해서 증가할 것이라고 예언함 메모리와 마이크로프로세서 시장이 주도한 집적회로 기술은 개별 소자들로서는 불가능한 복잡도, 속도 및 정밀도를 구현 가능하게 하며, 아날로그 설계를 광범위하게 받아들임 오늘날에는 아날로그 회로의 동작과 성능을 예측하기 위해 더 이상 개별 소자를 이용한 프로토타입(prototype)을 만들지 않아도 됨

왜 CMOS인가? 금속-옥사이드-실리콘 필드효과 트랜지스터(MOSFET, metal-oxide-silicon field-effect transistor)는바이폴라 트랜지스터(bipolar transistor)가 발명되기 한참 전인 1930년대 초에 릴롄펠드(J. E. Lilienfeld)가 특허를 받음 제조 공정의 한계 때문에 MOS 기술은 훨씬 뒤인 1960년대 초반에 서야 단지 n-형 트랜지스터만 집적된 초기의 몇 세대를 거치면서 상용화될 수 있었음 상보 MOS (CMOS, complementary MOS) 소자(n-형과 p-형 트랜지스터가 모두 있는)가 1960년대 중반에 도입되면서 반도체 산업에서의 혁명이 시작됨 CMOS 기술은 디지털 시장을 급속히 장악함 CMOS 게이트(gate)는 스위칭 동안에만 전력을 소모하고, 매우 적은 수의 소자를 필요로 하였기 때문인데, 이 두 가지 속성은 바이폴라 혹은 GaAs 게이트와 뚜렷한 대조를 이룸 다른 종류의 트랜지스터보다MOS 소자의 크기가 더 쉽게 비례 축소(scaling) 가능함 CMOS 회로는 제조비용이 적게 듬

왜 CMOS인가? CMOS 기술을 아날로그 설계에 적용함 CMOS 기술이 아날로그 시장마저 지배하게 된 이유 그러나 MOSFET는 바이폴라 트랜지스터에 비해 더 느리고 잡음이 많아서 곧 응용에 한계를 드러냄 CMOS 기술이 아날로그 시장마저 지배하게 된 이유 MOSFET의 속도를 끊임없이 향상시켜온 소자의 비례 축소 MOS 트랜지스터의 고유속도는 지난 30년 동안 에 수천 배 이상 증가해 오면서 역시 비례 축소되어 온 바이폴라 소자의 속도 와 비견할 만하게 되었음. 이제는 수 기가헤르츠[GHz] 속도의 아날로그 CMOS 회로까지도 양산되고 있음.

일반 개념 – 개념화 수준 집적회로의 해석과 설계는 종종 다양한 수준에서의 개념화를 요구함 전기장이나 전하 이동에 의한 개별 소자의 동작(a), 전기적 특성에 의한 여러 소자의 상호작용(b), 한 개의 단위로서 동작하는 몇 개의 빌딩 블록의 기능(c), 각각의 구성 요소인 서브시스템에 의한 전체 시스템의 성능(d) 오늘날의 IC 산업에서는 최고의 성능과 원가 절감을 이루어내기 위해 서는 소자 물리학자에서부터 시스템 설계자에 이르기까지 모든 그룹 간의 상호작용이 불가피함

일반 개념 – 견고한 아날로그 설계 견고한 아날로그를 설계한다는 것은 도전적인 과제임 소자와 회로의 여러 파라미터는 공정, 공급전압 및 주변 온도에 따라 변함 이러한 요소를 PVT로서 나타내고, 규정된 PVT 범위 내에서 회로 성능이 만족될 수 있도록 설계함 예를 들어, 공급전압은 2.7V 에서 3.3V까지 변화함 온도는 0C에서 70C까지 변함 CMOS 공정에서는 소자 파라미터가 여러 웨이퍼(wafer)들 간에 변화가 심함 견고한 아날로그를 설계한다는 것은 도전적인 과제임

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