アナログ半導体は、多くの電子機器の動作を支える半導体の一種です。電気や音など、自然に存在する連続的な物理信号を受容したとき、自由に制御したうえでアウトプットできる特徴を持ちます。
電流のスイッチを切り替える、あるいは流した音の大きさを増幅させるなど、実用性の高い技術が数多くあります。現代では先端技術の発展とともにさまざまな種類の装置が出回りましたが、アナログ信号に関する技術は他に先がけて広まりました。
しかし、アナログ技術は非常に奥が深く、用途に合わせた最適な製品選びやノイズ対策には高度な知見が欠かせません。私たち株式会社eParts Electronics は、長年の実績を持つ半導体専門商社として、お客様の製品開発を部品選定の段階からバックアップしています。
この記事では、アナログ半導体が持つ特徴や具体例を紹介します。何に使う部品であるのか、身近な事例を把握するとその影響力の大きさに気づけるでしょう。導入方法や将来性など、ビジネス視点からも分析することで、自身のニーズに合わせた情報収集が可能です。
アナログ半導体とは
半導体は、電気を通すときと通さないときを自在に切り替えられる物質です。その一種であるアナログ半導体は、物理信号を受容すると指示どおりに制御して出力します。電流のコントロールや増幅を通じて、電子機器の動作を実現させます。以下で、他の半導体との違いや最新技術の動向を確認しましょう。
アナログ半導体と他の半導体の違い
半導体技術の全体像を掴むためには、アナログ半導体単体ではなく、対となる他の半導体との「役割の違い」を理解することが近道です。
電子機器の中で、アナログ半導体が現実世界の情報を捉える「感覚器官」だとすれば、デジタル半導体は思考する「頭脳」、パワー半導体はエネルギーを供給する「心臓や筋肉」に例えられます。同じ半導体という名称でも、扱う信号の形式や得意とする領域は対照的であり、これらを適切に組み合わせることで高度なシステムが動作しています。
ここでは、混同されやすい「デジタル半導体」および「パワー半導体」との具体的な違いを比較し、それぞれの技術的特性と棲み分けについて解説します。
アナログ半導体とデジタル半導体の違い
光や音など、自然に存在する信号を取り込み、処理できるアナログ半導体に対して、デジタル半導体の場合は信号の処理を「0」か「1」の切り替えで行います。
両者は、搭載される機器の方向性でも異なります。アナログ半導体は、アンプやスピーカーなど出力を強みとする電子機器の内部に用いられるケースが主流です。一方、PCやスマートフォンなど精密機器の情報処理能力を支える場面で、デジタル半導体が活用されています。
デジタル技術の強みは、より柔軟で複雑な演算や思考ができる点です。その一方でインプットの柔軟性ではアナログ技術が上回ります。自然界の連続信号を取り込んで自在に変換できるためです。
デジタル半導体とは
電流を「0」か「1」の電気信号として解釈し、その組み合わせで複雑な動作を可能にする装置がデジタル半導体です。「0」と「1」の信号を絶えず出力し続けることで、あらゆるコンピュータの動作が実現できます。
PC、スマートフォンに搭載されるCPUが主な活用例です。ユーザーが入力した情報を画面に出力する、またはアプリケーションを用いて高速計算するなど、日常的に活用される便利な機能の裏には、デジタル技術の存在があります。
アナログ半導体とパワー半導体の違い
パワー半導体は高電圧の負荷に強く、大容量の電流をコントロールできる強みがあります。電気を流したときに、制御や増幅によって出力する点は同様ですが、取り扱う信号の種類や、活用例に両者の違いが存在します。
パワー半導体が光や音などの信号を扱うことはなく、取り込む対象はあくまでも電力のみです。電気自動車や大型家電など、大容量の電力を要する機器に活用されます。また、アナログ信号は微細で、処理に際してはエネルギー効率をあまり必要としない一方で、消費電力がかさむパワー半導体には効率のよい変換技術が求められます。
アナログとデジタルの融合で進化する半導体技術
アナログ、デジタルそれぞれの半導体が持つ特徴を同時に活かすため、近年では両者を組み合わせた半導体装置が開発されています。「ミックスドシグナル」と呼ばれるこの技術は、2種類の半導体を1つのチップ上に同乗させる点が特徴です。
代表例は、AIによる音声認識の分野や、IoT家電などのデバイスです。音や温度といった信号を受容したのち、デジタル制御して出力する仕組みで、アナログ情報を高度にデータ化できます。
従来はアナログのスピーカー、デジタルのコンピュータなどのように両者が分かれていました。現代のスマートフォンのように両者を融合させて、アナログ信号の取り込みからデータ出力までを1つのデバイスで完結できると、より利便性が高まります。
アナログ半導体の役割
物理的な信号を入力したとき、アナログ半導体はスイッチング・変換・増幅といった処理ができます。スイッチングは、電流のオンとオフを切り替える半導体としての基本機能です。変換と増幅をうまく組み合わせることで、アナログ信号を自在に加工して出力できます。
電気回路のスイッチ
半導体が電気を受容したとき、流す判断と流さない判断を使い分けられます。これは電気回路におけるスイッチングの働きであり、最も基本的な動作です。
アナログ半導体によるスイッチングが、電子機器の自由な動作を実現しています。具体的な活用例は、アナログ機器の電源装置です。必要なときにだけ電力を供給し、使わないときは電気回路をオフの状態に保ちます。
また、電気回路の通電を柔軟に管理することで、電力消費の効率を上げる効果も存在します。機器の使用中、つねに電気を供給し続けると電力を無駄遣いする結果につながるため、適切なスイッチングでエネルギー効率を管理することが大切です。
信号を変換
物理信号をアナログ半導体が受取、機器を通じて加工、出力するうえで信号の変換が行われます。音や光はそのままの状態だと物理現象としての連続信号に過ぎませんが、半導体による変換を経るとデータ化、可視化ができます。
具体例は、ミックスドシグナルの技術を用いた電子機器に搭載されたアプリケーションです。アナログ半導体が受け取った音声の信号を、「0」「1」のデジタル信号へと変換させることで、データ分析やAI学習に活用できます。
信号の変換技術は、録音や撮影が可能な多くのデバイスに取り入れられています。かつてはビデオカメラのようにアナログ技術だけで入力と出力を完結させる機器が主流でしたが、現代はPCやスマートフォンでアナログとデジタルの併用が可能です。
信号を増幅
アナログ半導体は、信号を変換するだけでなく増幅させる強みも持ちます。単体では微弱な物理信号をより拡大させて、広いスペースに行き渡らせる、または遠隔地まで飛ばすなどのニーズに応えられます。
スピーカーや無線通信など、音声に関する装置で増幅の技術が用いられています。使用する人の音声信号をアナログ半導体が受容し、増幅させて出力することで大きなエネルギーとして伝達させる仕組みです。
長距離の音声伝達に際しては、ノイズの防止と信号の増幅を両立させる必要があります。アナログ半導体には、ノイズを最低限に抑えながら、思い通りに増幅させるコントロール技術が求められます。
アナログ半導体の課題
現代社会のさまざまな分野に活用されるアナログ半導体には、課題も存在します。たとえば、他の半導体よりも設計や製造の難易度が高く、生産のコストがかかる点です。また、物理現象であるアナログ信号を用いるため、環境の変化に対する耐性が強くなく、ノイズの影響を受けやすい点も課題のひとつです。
設計の難易度が高い
アナログ半導体は物理現象を扱うため不確実性が高く、他の半導体よりも設計が難しいとされます。外部の環境が変化すると、取り込む信号の性質にブレが生じるため、つねに安定した挙動を保ちにくい点が特徴です。
音や光のようなアナログ信号は、取り込んだ時点での温度や湿度など外的要因によって信号が弱まる場合があります。そのため、「0」か「1」の決まったデータ形式のみで取り込めるデジタル信号と比較すると、動作の再現性が保ちにくくなります。
この課題を乗り越えるには、事前シミュレーションや設計自体の自動化がポイントです。近年の技術発展で、AIによる解析の質が高まり、高精度のシミュレーションや再現性の高い設計を実現できる可能性があります。
複雑な製造プロセスがある
アナログ半導体は設計の工程だけでなく製造段階の難易度も高く、乗り越えるハードルが多く存在します。デジタル信号のように統一性があるわけではなく、音や光、電気などさまざまな信号に対応する必要があります。大量生産よりもオーダーメイドの傾向があり、製造コストがかさむ点は課題です。
さらに、製造が完了した後は動作テストのプロセスに移ります。異なる環境要因に置かれても正常な動作ができるように、入念なテストが実行されるため人手と時間を多く要します。設計段階と同様に、AI分析や自動化の技術が発展すると、製造プロセスの負担も減らせる可能性があるでしょう。
ノイズや干渉への影響がある
アナログ半導体の動作における不確実性を高める存在が、ノイズや干渉です。周囲の電磁波や雑音によってノイズが発生すると、取り込む物理信号の性質が変わってしまい、思い通りにアウトプットできない事態が発生します。
とくに音声を処理する場合、ノイズが与える影響は大きくなります。音を正確に変換、増幅する必要のあるスピーカー機器の設計にとっては、ノイズをいかに軽減するのかが重要なテーマです。
ノイズの影響を減らすには、設計段階での工夫が求められます。近年ではAIのアルゴリズムによって、画像や音声のノイズを自動で補正する仕組みが開発されています。完全な除去が難しい状況であっても、干渉を減らして信号処理の安定性を確保する施策が有効です。
アナログ半導体の主な種類と代表的な用途
アナログ半導体は、光・音・温度・圧力といった自然界に存在する連続的な物理情報を電気信号として捉え、デジタル回路が処理できる形へと橋渡しする重要な役割を担っています。
その種類は多岐にわたり、微弱な信号を増幅する回路から、精密な電力制御を行うチップ、デジタルとアナログを相互に変換するデバイスまで様々です。IoT機器の普及や自動車の電装化が進む現代において、これらのアナログデバイスは機器の性能を左右する「電子機器の感覚器官」として、その重要性を増しています。
ここでは、代表的な4つの種類と具体的な用途について解説します。
オペアンプ・コンパレータ（増幅・比較）
オペアンプ（演算増幅器）とコンパレータ（比較器）は、アナログ回路設計において最も基本的かつ重要な構成要素です。
オペアンプは、センサーなどが捉えた極めて微弱な電気信号を、後段の回路が処理できるレベルまで「増幅」する役割を持ちます。例えば、マイクが拾った微細な音声信号をスピーカーで鳴らせる大きさに増幅したり、心電図の微小な電位変化を読み取ったりする場面で不可欠です。また、不要なノイズを除去するフィルタリング機能としても広く活用されています。
一方、コンパレータは2つの電圧信号を比較し、どちらが大きいかを判定して「High」または「Low」を出力する機能を持ちます。「バッテリー電圧が規定値を下回ったら警告灯をつける」「温度が設定値を超えたらファンを回す」といった、機器の安全制御や異常検知の判断に用いられます。これらは一見地味な部品ですが、電子機器の精度と安全性を支える要の存在です。
電源IC・レギュレータ（電力管理）
すべての電子機器は電力なしには動作しませんが、供給される電気をそのまま使えるケースは稀です。電源ICやレギュレータは、入力された電圧を各部品が求める最適な電圧へと変換し、安定供給する「パワーマネジメント（電力管理）」の役割を担います。
代表的なものに、入力電圧と出力電圧の差を熱として捨てて安定化させる「リニアレギュレータ（LDO）」と、高速でスイッチを切り替えて電圧を変換する「スイッチングレギュレータ（DC-DCコンバータ）」があります。
例えばスマートフォンの内部では、バッテリーの電圧をCPU用、ディスプレイ用、通信モジュール用など、それぞれの部品に適した異なる電圧に変換する必要があります。ここで電源ICが高効率に変換を行うことで、バッテリーの持ち時間を延ばし、本体の発熱を抑えることが可能になります。省エネルギー化が求められる現代において、高効率な電源ICの選定は製品競争力に直結します。
データコンバータ（A/D、D/A変換）
データコンバータは、現実世界のアナログ信号と、コンピュータ内部のデジタル信号を相互に翻訳する「通訳」のようなデバイスです。
「A/Dコンバータ（アナログ・デジタル変換器）」は、温度、圧力、音などのアナログ情報を「0」と「1」のデジタルデータに変換します。例えば、デジタルカメラが光の強弱を画像データとして記録できるのは、イメージセンサーからの信号をA/Dコンバータが高精細に変換しているためです。
逆に「D/Aコンバータ（デジタル・アナログ変換器）」は、デジタルデータを物理的な信号に戻す役割を果たします。音楽プレーヤーに保存されたデジタル音源を、私たちが耳で聞こえるアナログの「音」としてイヤホンから出力する際に用いられます。
5G通信やAIセンシングの進化に伴い、より高速で、より高精度に信号を変換できるデータコンバータの需要が急増しており、アナログ半導体の中でも特に技術革新が著しい分野の一つです。
センサー・インターフェース
センサー・インターフェースは、各種センサーとマイコン（制御装置）の間をつなぎ、信号を最適化するための専用アナログ半導体です。
近年、自動車の自動運転システムや工場のIoT化により、加速度センサー、ジャイロセンサー、圧力センサーなど多種多様なセンサーが機器に搭載されるようになりました。しかし、センサー素子から出力される生の信号は非常に微弱であったり、ノイズを含んでいたり、非線形（出力が比例しない状態）であったりします。これらをそのままマイコンに入力しても、正しいデータを読み取ることはできません。
センサー・インターフェースICは、こうした扱いにくい信号を整え（シグナルコンディショニング）、ノイズを除去し、温度変化による誤差を補正したうえでデジタル出力します。特に車載向けのLiDARやミリ波レーダー、産業用ロボットの制御など、高い信頼性が求められる分野では、高精度なセンサー・インターフェースの採用がシステムの性能を決定づけます。
アナログ半導体を選ぶうえでの注意点
新たにアナログ半導体をビジネスに取り入れたい場合、購買の取引先となる半導体会社と装置を選定する必要があります。新規導入に際しては、以下のような要素を検討すると選定がスムーズに進むでしょう。
- 性能、スペック
- サイズ
- 会社の信頼性
- 導入にかかるコスト
自社製品の内部に半導体装置を搭載したい場合、製品の仕様に適合した装置を選ばなければ、うまく動作しないおそれがあります。性能のソフト面、サイズのハード面を確実に満たす点を確認しましょう。
また、長期にわたる取引を想定したとき、半導体会社の信頼性も重要な判断条件です。各会社の評判や実績をリサーチしたうえで、導入費用を比較検討し、自社のニーズに適した会社を選定するプロセスが求められます。
【専門社視点】アナログ半導体選定のポイント
半導体販売を手がける当社の目線で、アナログ半導体を導入するときの選び方を5つご紹介します。各ポイントに共通する論点は、自社製品の仕様と半導体装置の適合性です。両者にずれが生じると、調整やテスト段階で多くの時間とコストが発生するため、あらかじめ適合性を入念に検討しましょう。
性能要件は満たせているか
導入するアナログ半導体が、自社製品の性能要件に合致しているのかを判断する必要があります。アナログ信号の入力から増幅や変換に至るまで、要求する水準に達していない半導体を選ぶと、自社機器の持ち味を発揮できないおそれがあるためです。
増幅率やノイズ耐性などが、性能要件の具体例です。仮に音響機器への導入を想定するのであれば、デバイスのスペックに合致する基準の増幅が可能で、ノイズへの耐性も高い半導体装置が適切でしょう。
一方、簡易な機器に性能の高い半導体装置を導入すると、オーバースペックで半導体側の性能を生かしきれない場合があります。自社製品と半導体双方の性能を釣り合わせる意識が大切です。
電源要件は満たせているか
機器の安全性や正常な動作を確保するために、電源要件の適合レベルも確認する必要があります。前述した電圧レギュレータのように、アナログ半導体を用いると電圧の適切なコントロールが可能です。
たとえば、高電圧や大容量の電力を扱う機器に搭載する半導体には、電圧の下降に関する高いスペックが求められます。また、充電器や家電など継続利用を前提とする機器には、電圧を安定させる機能に長けた半導体が適しています。
電力消費を抑え、効率よく作動させるエコの観点でも、半導体の電源は重要な条件です。電源要件に着目してアナログ半導体を選定することで、自社製品のエネルギー効率や信頼性をさらに高められる可能性があります。
サイズとパッケージは適切であるか
性能や電源要件のソフト面に加えて、半導体装置の具体的なサイズやパッケージ形式にあたるハード面の要件も入念に確認しましょう。製品の規格に合わない半導体装置を調達すると、性能に問題はないにもかかわらず、実装できなくなるおそれがあります。
前提として、搭載する自社製品とアナログ半導体の寸法を比較する必要があります。さらに、内部の基盤や回路設計にあたっては、他の部品との配置を意識して、最も適切なサイズ感の半導体を選定するプロセスが重要です。
デバイスの寸法が小さくなるほど、半導体に要求されるサイズの条件は限られます。とくに、小型製品を多く扱う会社の場合は、半導体メーカーと仕様の確認を重ねたうえで導入に踏み切る必要があるでしょう。
信頼性と耐久性は十分にあるか
電子機器としての販売、流通を成立させるうえで、製品の安全性と耐久性が求められます。自社製品の品質、事業の信頼性に影響を及ぼす要素であるため、十分な実績と性能を持つ半導体メーカーへの依頼がおすすめです。
電子機器は、過剰な電圧の負荷や長時間使用による消耗で、故障を起こす場合があります。自社デバイスで発熱や漏電などの事故が発生すると、風評悪化や経営リスクにもつながるため、品質と耐久性の高いアナログ半導体を導入する必要があります。
各メーカーのWEBサイトを通じた資料請求や、業界内での評判などで実績の確認が可能です。長期にわたる取引先としての関係構築を見据えて、信頼できるメーカーを選定しましょう。
コストは問題ないか
アナログ半導体の新規導入に際しては、調達費用が発生します。採算に見合う投資であるのかを事前に見極め、コスト面の見通しが立った状態で導入する流れが大切です。
自社製品の製造コストや売り上げ見込みなど、さまざまな経営数値を考慮したうえで導入の是非を判断するプロセスが求められます。一般に、半導体メーカーとは長期契約が想定されるため、投資回収や利益向上の見通しは複数年にわたるビジョンが必要です。
ただし、やみくもにコストダウンを意識すると、品質の低い半導体を導入してしまうリスクが生じます。万が一、安全性や信頼性に関わる問題が発生すると経営面で予期しないダメージを招きます。リスク回避の意味も込めて、信頼できる半導体を予算の範囲内で調達できると理想的です。
まとめ
この記事では、アナログ半導体の概要を具体例とあわせて紹介しました。自然界に存在する物理現象であるアナログ信号を入力し、増幅や変換を通じて適切な形式で出力できる点がアナログ半導体の特徴です。半導体の代表例としては他にパワー半導体が存在します。パワー半導体の用途は電力の変換に限られる一方、アナログ半導体は光や音声をコントロールできる点が違いです。
繊細なアナログ信号を扱い、ノイズを抑えてコントロールするためには高い設計技術と製造プロセスが求められます。今後はAIによる補正や設計の自動化を通じた、設計と製造の負担軽減が期待されます。
アナログ半導体を新たに導入するときは、自社が扱う製品の仕様に合致した装置の選定が必要です。メーカーごとに実績や導入コストを比較し、長期のパートナーとしてふさわしい会社から半導体を調達しましょう。