類比IC是什麼？和數位晶片有何不同、用在哪裡？

生活中的例子：新聞裡的「類比IC」

「類比IC」這個詞，常出現在財經新聞裡，例如美國德州儀器（TI）等公司的財報報導。它不像CPU或記憶體那麼有名，但幾乎所有電子產品裡都有。

用手機講話時，麥克風會把聲音變成電的波。體溫計量的是隨溫度改變的電壓。這些例子最先收到的，都是連續變化的訊號，而負責接收它的就是類比IC。

類比和數位的差異

聲音是空氣壓力的起伏。它的強弱可以取中間的任何值，平順地變化。光的亮度和溫度也一樣。像這樣連續變化的量，以及直接表示它的訊號，就稱為類比。

另一方面，電腦用0和1的排列來表示數字，只處理一格一格的值。這稱為數位。只有0和1兩種，電壓稍微晃動也不容易讀錯，所以適合精確的計算和儲存。

可是，真實世界的資訊，並不是以0和1的形式送來。感測器收到的量，最先會以連續變化的電壓出現。直接以這種形式處理電壓的晶片，就是類比IC。

另外，在產業統計中，整理電源電壓的積體電路（IC）也算在「類比」裡。切換大電力的功率半導體，大多是當作單獨的元件另外計算（「功率半導體是什麼？」）。

下圖是把聲音錄下來、再播放出來的流程。類比電路位在數位電路的入口和出口。

原理①：把小訊號放大

麥克風和感測器送出的電壓，常常非常小。直接這樣用的話，轉成數字的電路讀不出細微的差異。所以第一步，是在保持訊號形狀的情況下把它變大。這個作用稱為放大，做這件事的電路稱為放大器。

放大器常用的零件，是一種叫運算放大器的IC。它把兩個輸入端的電壓差，用非常大的倍率放大。以一款廣泛使用的產品為例，大約是20萬倍。

不過，倍率太大，直接使用反而不好控制。所以會把輸出的一部分接回輸入。這樣一來，整體的倍率就能由外接的兩個電阻值的比例決定。電阻值容易做得精確，所以倍率也會變得精確。這種接法稱為負回授。電阻值和倍率的關係，可以用運算放大器增益計算工具試試看。

原理②：去除不需要的成分

訊號裡除了想要的成分，也會混進不需要的成分。例如從電源混進來的低沉「嗡嗡」聲，或從其他電路混進來的細小晃動。這些成分的差異，是用波每秒振動的次數來分辨。這個次數稱為頻率，單位是Hz（赫茲）。

只讓特定範圍的頻率通過、把其他頻率減弱的電路，稱為濾波器。它是用電阻、電容（暫時儲存電的零件）和運算放大器組合而成。

原理③：轉成數字的類比數位轉換器（ADC）

把整理好的電壓轉成電腦能處理的數字，這種電路稱為類比數位轉換器（ADC）。A是Analog（類比），D是Digital（數位）的開頭字母。ADC分兩個步驟，把電壓變成數字。

第一步，是每隔固定的時間量一次電壓。中間時刻的值丟掉，只留下量到的那些時刻的值。這個步驟稱為取樣。

第二步，是把量到的值，歸到固定階層中的某一格。這個步驟稱為量化。階層的數目，由表示數字所用的位元（0或1的位數）數量決定。3位元是8格，16位元是65,536格。

圖中的點，和原本的曲線都有一點偏差。歸到階層時產生的這種偏差，稱為量化誤差。階層分得越細，偏差就越小。

音樂CD的「16位元、44.1 kHz」

音樂CD的規格，是每秒量測聲音的電壓44,100次。每秒量測的次數稱為取樣頻率，CD是44.1 kHz（千赫茲）。每次的值用16位元，也就是65,536格來記錄，並且有左右2個聲道。這個格式訂在國際標準IEC 60908中。

要量得多快才夠？

要記錄快速振動的波，就必須量得同樣快。標準是：用比想記錄的最高頻率的2倍更多的次數來量。這樣一來，理論上就能從量到的點還原出原本的波。這個規則稱為取樣定理。

換句話說，取樣頻率的一半，就是能記錄的頻率上限。這個上限稱為奈奎斯特頻率。CD是44,100的一半，也就是22,050 Hz。人耳聽得到的音高上限，大約是20,000 Hz（20 kHz）。CD的設計，能記錄到比這稍高一點的頻率。

如果混著比上限更快的振動就去量，把量到的點連起來時，會出現實際上不存在的慢波。這個現象稱為混疊。所以，通常會在ADC前面放一個濾波器，把超過上限的快速成分去掉。

ADC有幾種方式，有的重視速度，有的重視細密度。差異整理成表格，放在「SAR、ΔΣ、管線式、快閃式ADC的差異」。

原理④：從數字轉回電壓的數位類比轉換器（DAC）

反過來，把數字轉回電壓的電路，稱為數位類比轉換器（DAC）。DAC輸出的電壓，是每個數字一階、排成階梯的形狀。用濾波器把它變平順，再用放大器加強，就能推動喇叭。

原理⑤：整理電源

晶片裡的電路，需要穩定地接收固定電壓的電。可是電池的電壓，會隨剩下的電量改變。所以要用一種電路，從輸入的電壓做出需要的電壓，並保持固定。這種電路稱為穩壓器。

主要的方式有兩種。一種是把多出來的電壓變成熱丟掉。常用的型式稱為LDO（低壓差穩壓器）。浪費比較多，但優點是輸出電壓的細小晃動很小。另一種是交換式穩壓器（也稱切換式穩壓器），讓電快速開、關來改變電壓。效率高，但會產生細小的晃動。怎麼分別使用，整理成表格放在「LDO與切換式穩壓器的差異」。

和功率半導體的差異，在於處理的電力大小和所在位置。功率半導體負責切換流過馬達和充電器的大電力。穩壓器大多是裝在電路板（放零件的板子）上的IC，負責整理送給晶片的較小電力。手機裡，有把許多穩壓器整合在一起的PMIC（電源管理IC）在運作。

原理⑥：無線電波和時脈訊號

手機收發無線電波的零件，也是類比電路。例如把收到的極弱電波，盡量不加雜訊地放大的放大器（「手機裡有哪些半導體？」）。

數位電路會配合固定間隔送來的訊號，一步一步地動作。這個訊號稱為時脈。

產生時脈來源、以固定快慢振動的訊號的電路，就是振盪器。很多設備使用石英振盪器，裡面的石英晶體加上電壓後，會以固定的快慢振動。原理和石英錶相同。

石英直接能產生的頻率，比CPU運作的速度低得多。所以要用另一種電路，以穩定的慢訊號為基礎，做出快幾十倍到幾百倍的訊號。這種電路稱為PLL（鎖相迴路）。

類比設計困難的原因

在數位電路中，電壓稍微晃動，只要沒有把0和1讀錯，答案就不會變。在類比電路中，電壓的些微晃動，會直接變成訊號的誤差。以下列出4種主要的干擾。

• 雜訊：零件裡的電子，會因為熱而雜亂地晃動。這種運動會產生無法避免的微小電壓晃動，稱為熱雜訊。另外也有從其他電路或電源混進來的雜訊。
• 溫度造成的變化：零件的性質會隨溫度一點一點改變。不論在冬天的戶外，還是夏天的車內，都要下工夫讓它輸出相同的值。
• 零件的差異：即使是做成相同形狀的兩個電晶體，性質也會有些微不同。在放大差值的運算放大器裡，這個差異會直接變成誤差。根據Pelgrom等人在1989年提出的標準，電晶體的面積變成4倍，差異就會減半。
• 配置：把成對的零件對稱排列、遠離數位電路等做法，都會改變性能。

在數位電路中，零件的配置大多由設計工具自動決定。在類比電路中，配置會大幅改變性能，所以有很多部分要由設計者思考。1991年出版的一本類比設計書，由Jim Williams主編。書名裡和科學（Science）並列的，還有「藝術（Art）」這個字。這是一個靠經驗累積的巧思影響很大的領域。

為什麼不用最先進的工廠製造？

手機計算核心的晶片（SoC），是用「3奈米」這類最先進的世代製造（世代名稱的意思，請看「「2奈米」「3奈米」是什麼的長度？」）。另一方面，類比IC大多是用早了好幾代、經過實績驗證的世代製造。這樣也沒問題，主要有3個理由。

1. 處理較高的電壓：最先進的電晶體，是設計在1伏特左右的低電壓下運作。類比IC常常要承受來自電池或變壓器、比這更高的電壓，需要耐得住高電壓的堅固電晶體。
2. 縮小的好處少：如前一節所說，要做出精度就需要面積。根據TSMC在2020年公布的數字，3奈米世代和5奈米世代相比，同樣面積能放進的數位電路約1.7倍。類比電路卻只有約1.1倍。
3. 費用：越先進的世代，製造和設計都越貴。對縮小不了的電路來說並不划算。

改用其他方法降低費用，其中之一是把晶圓（製造晶片的圓形矽板）做大。根據TI的2024年度年報，用直徑300 mm的晶圓製造，比200 mm有利。放進封裝前的晶片，每顆的費用約低40%。

類比IC的產業

業界組織WSTS把積體電路分成類比、記憶體等種類來統計。根據WSTS的統計，2025年類比IC的市場約865億美元，約占整個半導體市場（約7,956億美元）的1成。

• 品項非常多：依照量測的對象、電壓、速度、精度的組合，適合的產品都不一樣。根據TI的官方網站，該公司的產品超過8萬種。
• 長期持續銷售：工廠的機器和汽車，會長年使用同樣的零件。TI在2009年度的年報中提到，高性能的類比產品常常持續銷售超過10年。

以類比IC為主力的大廠，有美國的德州儀器（TI）和亞德諾（ADI）。ADI在2021年8月，收購了類比大廠Maxim Integrated。歐洲的英飛凌、意法半導體，以及日本的瑞薩電子、羅姆等公司，也都有生產類比IC。

第一個被廣泛使用的類比IC，是1964年的運算放大器「μA702」。它是美國快捷半導體（Fairchild）的產品（根據電腦歷史博物館的資料）。

常見的誤解

用數字來看

資料量的計算，可以用影像、聲音、影片資料量計算工具試試看。

深入學習

• 用表格看差異：運算放大器與比較器的差異、A類、AB類、D類放大器的差異、PLL與DLL的差異、單端與差動訊號的差異
• 下一步的用語：逐次逼近式ADC、過取樣
• 用數字試試看：ADC SNR與ENOB計算器（位元數和雜訊的關係）、dBm換算工具
• 相關文章：「微控制器（MCU）是什麼？」（內建ADC的微控制器）、「影像感測器是什麼？」（從光到數字）