Vào đầu những năm 1980, nhiều chuyên gia đã dự đoán về sự sụp đổ của các mạch tương tự. Các thuật toán xử lý tín hiệu số ngày càng trở nên mạnh mẽ hơn trong khi những tiến bộ trong công nghệ mạch tích hợp (IC) đã mang lại khả năng triển khai nhỏ gọn, hiệu quả các thuật toán này trong silicon. Nhiều chức năng trước đây được thực hiện ở dạng tương tự giờ đây có thể được thực hiện dễ dàng trong miền kỹ thuật số, cho thấy rằng, với đủ khả năng chế tạo vi mạch, tất cả quá trình xử lý tín hiệu cuối cùng sẽ được thực hiện bằng kỹ thuật số. Tương lai có vẻ khá ảm đạm đối với các nhà thiết kế analog và họ đang tìm kiếm công việc khác.

Nhưng, tại sao ngày nay nhu cầu nhân lực thiết kế analog lại có lớn như vậy? Tại sao, công nghệ xử lý tín hiệu số và vi mạch đã phát triển vượt bậc kể từ đầu những năm 1980, giúp tạo ra các bộ xử lý chứa hàng triệu bóng bán dẫn và thực hiện hàng tỷ phép tính mỗi giây lại không thay thế hoàn toàn được các kỹ thuật và vi mạch tương tự.

Trong khi nhiều loại xử lý tín hiệu thực sự đã chuyển sang miền kỹ thuật số, các mạch tương tự về cơ bản đã được chứng minh là cần thiết trong nhiều hệ thống hiện đại, phức tạp ngày nay.

Tại sao lại cần?

Các ứng dụng nêu trên chứng tỏ sự phổ biến rộng rãi và tất yếu của các mạch tương tự trong ngành công nghiệp hiện đại. Nhưng tại sao thiết kế analog lại phức tạp? Có thể do các yếu tố sau:

1. Trong khi các mạch kỹ thuật số chủ yếu đòi hỏi sự cân bằng giữa tốc độ và công suất tiêu thụ, thì thiết kế tương tự phải giải quyết sự cân bằng đa chiều bao gồm tốc độ, công suất tiêu tán, độ lợi, độ chính xác, điện áp nguồn, v.v.
2. Do tốc độ và độ chính xác cần thiết trong việc xử lý tín hiệu tương tự, các mạch tương tự nhạy hơn nhiều với nhiễu, nhiễu xuyên âm và các tác nhân gây nhiễu khác so với các mạch kỹ thuật số.
3. Hiệu ứng bắc hai trong các thiết bị ảnh hưởng đến hiệu suất của mạch tương tự mạnh hơn nhiều so với hiệu suất của mạch kỹ thuật số.
4. Việc thiết kế các mạch tương tự hiệu suất cao hiếm khi được tự động hóa, thường yêu cầu mọi thiết bị đều phải được “thủ công”. Ngược lại, nhiều mạch kỹ thuật số được tổng hợp và bố trí một cách tự động.
5. Mặc dù có những tiến bộ vượt bậc, việc mô hình hóa và mô phỏng nhiều hiệu ứng trong mạch tương tự vẫn là một thách thức, buộc các nhà thiết kế phải rút ra kinh nghiệm và trực giác khi phân tích kết quả mô phỏng.
6. Một yếu tố quan trọng trong ngành bán dẫn ngày nay là thiết kế các mạch tương tự trong công nghệ vi mạch chủ đạo dùng để chế tạo các sản phẩm kỹ thuật số. Được phát triển và đặc trưng cho các ứng dụng kỹ thuật số, những công nghệ như vậy không dễ dàng phù hợp với thiết kế tương tự, đòi hỏi các kỹ sư phải điều chỉnh và thích ứng thiết kế của mình.

MOSFET

1. Định nghĩa

Khi nghiên cứu thiết kế mạch tích hợp, có thể áp dụng một trong hai cách tiếp cận:

• Bắt đầu với cơ học lượng tử và hiểu vật lý chất rắn, vật lý thiết bị bán dẫn, mô hình hóa thiết bị và cuối cùng là thiết kế mạch;
• Coi mỗi thiết bị bán dẫn như một hộp đen có hoạt động được mô tả dưới dạng điện áp và dòng điện các cực cũng như mạch thiết kế mà ít chú ý đến hoạt động bên trong của thiết bị.

Kinh nghiệm cho thấy rằng không có cách tiếp cận nào là tối ưu.
Trong trường hợp đầu tiên, không thể thấy được sự liên quan của tất cả các yếu tố vật lý với việc thiết kế mạch điện, và trong trường hợp thứ hai, sẽ bị bối rối bởi nội dung của hộp đen.

Trong ngành công nghiệp vi mạch ngày nay, sự hiểu biết vững chắc về các thiết bị bán dẫn là điều cần thiết, về thiết kế tương tự hơn là thiết kế kỹ thuật số, vì trước đây, bóng bán dẫn không được coi là công tắc đơn giản và nhiều hiệu ứng bậc hai của chúng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất. Ngoài ra, khi mỗi thế hệ công nghệ vi mạch mới ngày càng tăng khả năng tích hợp, những tác động này trở nên đáng kể hơn. Vì người thiết kế thường phải quyết định những hiệu ứng nào có thể bị bỏ qua trong một mạch nhất định, nên hiểu biết sâu sắc về hoạt động của thiết bị là vô giá.

2. Chức năng 

MOSFET loại tăng cường
Khi điện áp cổng âm so với nguồn, MOSFET hoạt động ở chế độ tăng cường, được gọi là MOSFET loại tăng cường. Các MOSFET loại tăng cường thường ở trạng thái tắt. Khi bạn kết nối một MOSFET loại tăng cường, không có dòng điện chảy từ cực máng đến cực nguồn khi không có điện áp đặt vào cực cổng của nó. Đây là lý do tại sao nó được gọi là thiết bị thường tắt. Không có dòng điện chạy qua nếu không có điện áp cổng.

MOSFET loại cạn
Khi điện áp cổng dương so với nguồn, MOSFET hoạt động ở chế độ cạn kiệt, được gọi là MOSFET loại cạn kiệt. MOSFET cạn kiệt thường là thiết bị ở trạng thái bật. Chúng dẫn điện ở mức tối đa khi không có điện áp đặt vào cực điều khiển. Trong MOSFET loại cạn kiệt, khi bạn tăng điện áp cổng-nguồn, kênh thoát-nguồn của transistor trở nên có điện trở hơn và dòng điện chảy từ thoát đến nguồn giảm. Dòng điện ngừng chảy hoàn toàn khi điện áp cổng-nguồn đạt đến mức cắt.

3. Ứng dụng chính

MOSFET được sử dụng trong các thiết bị điện tử để chuyển đổi và khuếch đại tín hiệu điện tử.

Nó có thể được sử dụng làm điện trở, tụ điện hoặc cuộn cảm.
Nó hoạt động như một bộ biến tần.
Nó phù hợp để sử dụng trong các mạch kỹ thuật số.
Một bộ khuếch đại tần số cao có thể được chế tạo bằng MOSFET.
Nó có thể được sử dụng để cấp nguồn cho động cơ DC không chổi than và rơ le DC.

LDE

Các nhà thiết kế mạch tương tự luôn phải lo lắng về bố cục vật lý để có được sự khớp nhau tốt giữa các thiết bị. Sự thay đổi về mức độ tạp chất trên toàn chip, thường được giả định là có gradient theo một hoặc hai chiều, có thể được xử lý bằng cách bố trí thông minh như các thiết bị có trọng tâm chung. Điều tương tự cũng đúng với sự thay đổi nhiệt độ do các thiết bị công suất trên chip tạo ra: Với dòng điện từ 10 A trở lên trên các thiết bị chuyển đổi/điều chỉnh công suất, chênh lệch nhiệt độ trở thành một vấn đề thực sự.
Khi hình học quy trình giảm, một loại biến đổi mới đã xuất hiện – được gọi chung là "hiệu ứng phụ thuộc vào bố cục" hoặc viết tắt là LDE.
Một ví dụ về LDE là sự gần gũi của các thiết bị với các cạnh giếng. Khoảng cách của các thiết bị đến mép giếng có ảnh hưởng đến điện áp ngưỡng (Vt) của thiết bị.

Sự thay đổi của Vt không chỉ có thể gây ra các hiệu ứng không khớp mà còn dẫn đến những thay đổi hiệu suất đáng kể. Các hiệu ứng khác có thể là do ứng suất không chủ ý trong silicon, ví dụ như do cách ly rãnh nông giữa các thiết bị. Ứng suất này ảnh hưởng đến độ di động của hạt tải điện trong các thiết bị và do đó, ảnh hưởng đến dòng điện. Đây được gọi là hiệu ứng "chiều dài khuếch tán" hoặc hiệu ứng LOD, trong đó các đặc tính của một thiết bị thay đổi tùy theo khoảng cách từ cổng của nó đến cạnh khuếch tán.

Để thiết kế với các hiệu ứng LDE, có thể sử dụng nhiều kỹ thuật bố trí khác nhau:

Sử dụng kích thước, hình dạng và hướng khuếch tán tương tự;
Sử dụng khoảng cách lớn hơn cho các thiết bị đến mép giếng;
Thêm các thiết bị giả và/hoặc poly giả để làm cho các thiết bị có ngón tay bằng nhau hơn.

Tuy nhiên, để mô phỏng chính xác thiết kế, cần phải bố trí sớm và cùng với đó là trích xuất ký sinh trùng, để có thể mô hình hóa các hiệu ứng LDE trong quá trình mô phỏng. Tất cả điều này phá vỡ các quy trình thiết kế tùy chỉnh hiện có, vốn truyền thống là người thiết kế mạch sẽ bàn giao sơ đồ phác thảo sơ bộ, có thể được mô phỏng với các ký sinh trùng ước tính, cho kỹ sư bố cục, người sau đó sẽ tạo bố cục ban đầu để trích xuất các giá trị ký sinh trùng thực tế. Sau đó, thiết kế này được trả lại cho bộ phận thiết kế mạch để tối ưu hóa các thông số thiết bị nhằm đáp ứng các mục tiêu hiệu suất, và thường trải qua nhiều lần lặp lại trong bố cục/tối ưu hóa.

Kết luận

Khác với thiết kế digital (làm việc với số lượng transistor khổng lồ, từ vài chục nghìn, vài trăm nghìn tới vài triệu cổng cho một module/block) thiết kế analog thông thường thiết kế mạch với vài chục tới vài trăm transistor, mosfet, điện trở, tụ điện cho một module/cell. Nếu digital, các cell được chuẩn hoá kích thước thì với analog kỹ sư toàn quyền quyết định kích thước. Do đó quy trình, cách thức cũng như công cụ dùng cho thiết kế tương tự sẽ khác nhiều với digital. Nói vui kỹ sư layout digital nhiều khi còn chả thèm quan tâm (biết) mosfet mình dùng có mấy cực, và kích thước W, L là bao nhiêu.