1. Analog design 이란?

시작하기에 앞서 본 글 내용은 전자회로의 대가인 Behzad Razavi 교수의 Design of Analog CMOS Integrated Circuits 2nd edition을 기반으로 하고 있습니다.

 

전자공학을 배우면서 원리 자체는 흥미롭고 재밌었지만, 대학교 3학년의 저에게는 왜 이걸 배우는지, 이걸 어디에 써먹는건지 알려주는 분이 없었습니다(있었어도 제가 못 알아먹은 거일 수도..) 시간이 지나면서 꾸준히 전자회로에 대해 공부하면서 그때보다 좀 더 나은 지식을 갖고 있기에 그 정보를 공유해보면 어떨까 해서 부족한 실력임에도 블로그를 시작하게 됐습니다.

 

아날로그란? 디지털이란?

아날로그 신호는 모두가 알다시피 연속적인 신호입니다. 값이 불연속적으로 있는 것이 아닌 연속적으로 있는 값이지요. 자연계에 존재하는 대부분의 신호들은 아날로그 신호입니다. 눈에 보이는 사물들도 연속적인 가시광선이고 들리는 소리도 연속적인 파동을 매질이 전달하는 것이죠. 반면 디지털 신호는 불연속적인 값을 갖는 신호입니다. 우리가 기본적으로 아는 이진수의 0, 1 이 디지털 신호 중 하나이고, 주로 우리가 사용하는 돈도 대부분 10원이라는 최소 통화를 갖고있는 불연속적인 디지털 신호이죠(엄밀히 말하면 디지털 신호는 값만 불연속적으로 변하는 것이 아닌 값이 바뀌는 시간 또한 불연속적인 신호를 말합니다. 예를 들면 매 1초마다 한 칸씩 움직이는 시계의 초침 말이죠)

그럼 회로를 배우는데 과연 이 아날로그 신호와 디지털 신호를 아는 데 무슨 상관이 있을까요? 전자회로는 기본적으로 저항, 커패시터와 같은 수동 소자들과 모스펫, bjt 같은 능동 소자로 이루어진 회로입니다. 이런 회로들의 조합으로 우리는 회로 디자인을 하죠. 회로 산업이 발전하면서 IoT, 센서 등 수많은 전자제품에서 반도체가 사용되기 시작합니다.

 

 

핸드폰을 예로 들어보죠. 핸드폰은 녹음을 하고 녹음한 파일을 다시 재생할 수 있습니다. 이 때 우리가 말하는 목소리는 아날로그 신호입니다. 핸드폰에 있는 AP 칩은 센서를 이용해 아날로그 신호를 받고 이를 어떤 데이터 형태로 저장하게 됩니다. 이 때 만약 아날로그 신호 형태로 저장하게 되면 여러가지 애로사항이 생기게 됩니다. 녹음 과정 중에 생긴 노이즈에 취약하며 아날로그 데이터를 온전히 보존하기 또한 힘들죠. 그렇기 때문에 우리는 이를 디지털 데이터로 변환해서 저장을 하게 됩니다. 디지털 데이터로 변환해 저장하게 될 때의 장점은

 

1. 데이터가 불연속적인 값으로 저장되므로 저장된 데이터의 보존이 훨씬 쉽다

 

2. 아날로그 데이터에 비해 DSP (디지털 시그널 프로세싱) 과정을 통해 복원하기 훨씬 쉽다

 

3. 아날로그로 데이터를 연산하는 것보다 디지털로 연산하는 과정이 훨씬 쉽다

 

등의 장점이 있습니다. 그래서 우리는 디지털 데이터를 선호하죠. 전력 소모도 아날로그 신호를 다루는 것보다 훨씬 작고 연산 속도도 훨씬 더 빠르기 때문이죠.

여기서 이제 아날로그 회로와 디지털 회로가 나뉩니다. 아날로그 신호들을 input으로 하고 output으로 하는 회로들을 아날로그 회로, 그리고 디지털 신호들을 input 으로 하고 output으로 하는 회로들을 보통 디지털 회로라고 합니다. 그리고 이 두 영역 사이에는 ADC와 DAC가 data를 아날로그에서 디지털로 그리고 디지털에서 아날로그로 컨버팅 해주죠.

 

아날로그 회로와 디지털 회로의 차이점은?

 

그렇기 때문에 보통 디지털 회로를 하는 분들은 모스펫을 직접 사이징 한다기 보다는 FO4 등에 맞춰 스탠다드 디지털 셀을 갖고와 설계를 하는 식입니다. 실제로는 이것도 대부분 베릴로그로 코딩을 하면 Synthesis 툴을 이용해 알아서 다 설계를 해주죠. 간단한 카운터부터 PIM을 위한 블락까지 모두 코딩을 통해 설계됩니다.

 

반면에 아날로그 설계자는 보통 앰프, LDO, PLL 등을 설계합니다. 이러한 블락들은 단순 스탠다드 셀을 이용하는 것이 아닌 사용환경과 스펙에 맞추어 회로의 length, width를 조절하고 직접 layout을 하여 설계하여야 합니다. 그렇기에 아날로그 설계가 디지털 설계보다 훨씬 더 난이도가 어렵죠.

 

아날로그와 디지털 회로의 차이는 이상입니다. 추가로 질문 남겨주시면 답해드리겠습니다.