Regular Article - The future’s bright…the future’s Analog (and Mixed-signal) From the bottom of an analog heart



รศ.ดร.อภินันท์ ชยานนท์
สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง


สวัสดีครับท่านผู้อ่านทุกท่าน หลังจากผมได้รับคำบัญชาจากท่าน บก. ให้เขียนบทความด้านอิเล็กทรอนิกส์ให้หนึ่งเรื่อง ผมก็ใช้เวลานั่งคิดนอนคิดอยู่นานมากว่าจะเขียนเรื่องอะไรดี คิดไปคิดมาก็ล่วงเลยเวลามานานพอสมควร จนท่าน บก. ที่เคารพก็ส่งสารมาทวงถาม ผมจึงได้ฤกษ์เริ่มเขียนจริงจังซะที ...ขอเขียนในเรื่องที่เป็นความถนัดของผม คือ Analog electronics

พูดถึงแอะนะล็อก หลายท่านของนึกถึงภาพของเทคโนโลยีเก่าๆ โอ๊ย...ล้าสมัย ไม่มีใครเขาใช้กันแล้วเดี๋ยวนี้ ยุคนี้เป็นยุคดิจิตอลแล้ว พูดถึงแอนะล็อกทำไม โบร๊าน โบราณ ต่างๆนานา แต่ผมจะชวนเชื่อท่านทั้งหลายว่าแอนะล็อกนี้แหละคือหนึ่งในศาสตร์ที่สำคัญ สำหรับเทคโนโลยีต่างๆในปัจจุบันและอนาคต

ปัจจุบัน.....เราอยู่ในยุคของการสื่อสารข้อมูล (Information economy) ที่กำลังเบ่งบานเต็มที่ (mature) โดยมีเทคโนโลยีสื่อสารและสารสนเทศ (Information and Communication Technologies หรือ ICT) เป็นกลไกที่สำคัญมากในการขับเคลื่อนการพัฒนาในด้านต่างๆ และปฏิเสธไม่ได้เลยว่า เทคโนโลยีที่เป็นพื้นฐานที่สำคัญที่สุดของ ICT ก็คือ อุปกรณ์และวงจรไมโครอิเล็กทรอนิกส์ หรือ ไมโครชิพ ซึ่งเป็นหัวใจที่สำคัญของเทคโนโลยีหลายอย่าง เช่น จีพีเอส (GPS) อาร์เอฟไอดี (RFID) ฮาร์ดดิสก์ไดร์ฟ (Hard disk drive) โทรศัพท์มือถือ บลูทูธ WLAN WIMAX และอื่นๆอีกมากมายนับไม่ถ้วน….


ไมโครชิพเหล่านี้ทำหน้าที่หลากหลายมาก ตั้งแต่ เชื่อมต่อจอภาพ (display) สื่อสารรับส่งข้อมูล ควบคุมระบบและจัดการใช้กำลังงาน เข้ารหัสและถอดรหัสข้อมูล โดยสามารถแบ่งหน้าที่การทำงานคร่าวๆได้เป็น 2 ส่วน คือ ส่วนวงจรดิจิตอล (digital) และส่วนวงจรแอนะล็อก (analog) โดยทั่วไปส่วนดิจิตอลจะเป็นแกนในการควบคุมและการคำนวณต่างๆที่ซับซ้อน และส่วนแอนะล็อกทำหน้าที่เชื่อมต่อกับสัญญาณที่มีมาจากตัวแปลงระหว่างสัญญาณ กายภาพและสัญญาณไฟฟ้าต่างๆ (sensors and transducers)

โดยส่วนแอนะล็อกมีความสำคัญเป็นอย่างยิ่งไม่น้อยไปกว่าส่วนดิจิตอล และไม่มีวันที่ส่วนดิจิตอลจะมาแทนที่แอนะล็อกได้เลย เนื่องจากสัญญาณต่างๆทางกายภาพที่อยู่รอบตัวเรา เช่น แสง เสียง อุณหภูมิ ความชื้น และอื่นๆ มีคุณลักษณะแอนะล็อกอยู่ นั่นคือขนาดและเฟสแสดงถึงข้อมูลต่างๆ ที่ต้องการ ดังนั้นแอนะล็อกจะยังคงอยู่คู่ดิจิตอลต่อไปตราบนานเท่านาน…

โดยทั่วไปส่วนวงจรแอนะล็อกประกอบด้วย วงจรขยายสัญญาณ วงจรกรองความถี่สัญญาณ วงจรแปลงสัญญาณแอนะล็อกเป็นดิจิตอล และแปลงดิจิตอลเป็นแอนะล็อก และอื่นๆ ซึ่งอาจพูดโดยรวมๆว่าทำหน้าที่ปรับแต่ง (signal conditioning) สัญญาณแอนะล็อกให้เหมาะสมเพื่อแปลงเป็นสัญญาณดิจิตอลต่อไป เช่น ในฮาร์ดดิสก์ไดร์ฟ และเครื่องอ่าน CD/VCD/DVD ส่วนวงจรแอนะล็อกเป็นส่วนที่ปรับแต่งสัญญาณจากหัวอ่านที่มีขนาดเล็กมากๆ ประมาณ 10-100 มิลลิโวลต์ และแปลงเป็นสัญญาณดิจิตอล นอกจากนี้ส่วนวงจรแอะล็อกยังเป็นส่วนภาครับส่งสัญญาณคลื่นวิทยุ (radio frequency) สำหรับอุปกรณ์สื่อสารไร้สายทุกประเภทเลยแหละ ตั้งแต่ บลูทูธ โทรศัพท์มือถือ จีพีเอส อาร์เอฟไอดี วายไฟร์ (WIFI) วายแมกซ์ (WiMAX) และอื่นๆอีกมากมาย





 

สู่อนาคตของสภาพแวดล้อมอัจฉริยะ (Ambient Intelligence)

ว่ากันว่าในอนาคตอันใกล้ เราจะเข้ายุคที่สิ่งอยู่รอบตัวจะฉลาดขึ้นเรื่อยๆ หรือ Ambient Intelligence ซึ่งหมายถึง มนุษย์เราจะถูกล้อมรอบไปด้วยเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ อิเล็กทรอนิกส์ สื่อสารและสารสนเทศ ที่คอยช่วยอำนวยความสะดวกต่างๆ ให้เราโดยเราไม่ต้องสนใจมัน เฉกเช่นด้วยกับแสงไฟจากหลอดไฟฟ้าที่เดี๋ยวนี้มีเซ็นเซอร์ แค่เดินเข้าห้องหลอดไฟก็เปิดทันที เราผ่านยุคของคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลมาแล้ว นั่นคือสมัยก่อนนั้นมีน้อยคนที่จะมีเครื่องคอมพิวเตอร์ตั้งโต๊ะ ปัจจุบันหลายคนมีคอมพิวเตอร์มากกว่า 1 เครื่อง ตั้งแต่เครื่องคอมพิวเตอร์ตั้งโต๊ะที่ทำงาน โน๊ตบุ๊ก ไอพอด สมาร์ทโฟน และอื่นๆ เรากำลังอยู่ในยุคที่คนมีเครื่องคอมพิวเตอร์มากกว่า 1 ชี้น และกำลังเข้าสู่ยุค Ambient Intelligence ที่จะมีเครือข่ายเซ็นเซอร์อัจริยะ (wireless smart sensors) อยู่รอบตัวเราเต็มไปหมด ซึ่งนำไปใช้ประโยชน์ได้หลายอย่าง เช่น

  • บ้านอัจฉริยะ (smart home) มีเครือข่ายเซ็นเซอร์ที่สามารถรับรู้ความรู้สึกและโต้ตอบกับผู้อยู่อาศัยได้ (ฉลาดมั้ย) สามารถควบคุมการเปิดปิดไฟ ทีวี และดนตรีอัตโนมัติ ตามอารมณ์ของผู้อยู่อาศัย นอกจากนี้หากมีผู้สูงอายุ หรือผู้ป่วย ก็จะมีระบบเซ็นเซอร์คอยเฝ้าระวังเหตุการณ์ฉุกเฉินต่างๆ และส่งสัญญาณแจ้งไปยังโรงพยาบาลเพื่อขอความช่วยเหลือ
  • เครือข่ายเซ็นเซอร์ในการตรวจวัดมลภาวะและสภาพแวดล้อมต่างๆ เช่น การเฝ้าระวังความเครียดในสิ่งก่อสร้าง การตรวจวัดสภาพอากาศในเมืองหรือแก็สพิษในโรงงานต่างๆ การเฝ้าระวังภัยธรรมชาติ เช่น ไฟป่า และคลื่นยักษ์สึนามิ

นอกจากนี้แอนะล็อกยังมีส่วนสำคัญในเทคโนโลยีอุบัติใหม่ (Emerging technology) หลายอย่าง เช่น





 

  • ระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ฝังในสิ่งมีชีวิต (implantable electronics) เช่น ระบบวัดความดันในหลอดเลือดแบบฝังในร่างกาย เทคโนโลยีหูเทียม (Bionic ear หรือ silicon cochlear) หรือ ตาเทียม (silicon retina) ระบบการเฝ้าระวังระดับกลูโคส โดยระบบเหล่านี้จะช่วยมนุษย์เราให้อยู่ยาวขึ้น (ดีหรือเปล่าเนี่ย) ซึ่ง SoC เหล่านี้ต้องใช้กำลังงานต่ำมากๆ เพราะคงไม่มีใครอยากผ่าตัดเปลี่ยนแบตเตอรี่ทุกเดือนหรอกเนอะหรือเป็นแบบพาส ซีฟ (passive) ที่อาศัยพลังงานจากคลื่นวิทยุที่ส่งเข้าไปจากเครื่องส่งภายนอก (หลักการเช่นเดียวกับแปรงสีฟันอิเล็กทรอนิกส์ ที่มีแท่นชารจ์นะครับ)
  • พลาสติกอิเล็กทรอนิกส์ (plastic electronic หรือ organic electronic) คือการสร้างอุปกรณ์และวงจรอิเล็กทรอนิกส์โดยวัสดุโพลิเมอร์ หรือพลาสติกอย่างหนึ่งนั่นเอง ทำให้เราสามารถสร้างระบบและวงจรอิเล็กทรอนิกส์บนวัสดุที่โค้งงอแบบพลาสติก ได้ เทคโนโลยีใกล้ตัวกว่าที่ท่านคิดนะครับ ตอนนี้มีผลิตภัณฑ์ที่มีจอแสดงผลแบบ plastic LED จำหน่ายแล้วนะครับ ผลิตภัณฑ์ plastic RFID หรือ plastic solar cell ก็ใกล้ความจริงเข้ามาทุกทีแล้วนะครับ ข้อดีของพวกนี้ก็คือคาดกันว่าจะทำให้มีราคาถูกมากๆ และฝันกันว่าสามารถสร้างวงจรอิเล็กทรอนิกส์เหล่านี้โดยใช้ printer (printed electronics) (printer แบบไม่ธรรมดานักนะครับ)
  • ระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถทำงานกับเซลล์ของสิ่งมีชีวิตได้ เช่น Electronic DNA microarray ที่สามารถถอดรหัส DNA ได้ และสามารถจัดการและควบคุม (manipulate) การเรียงตัวของ DNA ได้ในอนาคตอันใกล้นี้ (ว้าว)


จะเห็นได้ว่าสิ่งที่เป็นหัวใจที่สำคัญของสิ่งเหล่านี้ก็คือระบบวงจรรวมบนชิพ (System-on-Chip หรือ SoC) ซึ่งพูดง่ายๆ คือ การสร้างตัวเซ็นเซอร์ ส่วนวงจรดิจิตอล ส่วนวงจรแอนะล็อก และหน่วยความจำ (memory) ไว้รวมกันบนชิพเดียว ระบบ SoC เหล่านี้ต้องมีราคาถูก ใช้กำลังไฟต่ำ เพราะต้องทำงานอิสระ (autonomous) โดยใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ หรือเอามาจากสภาพแวดล้อม (energy harvesting) เราจะเห็นได้ว่าแนวโน้มของเทคโนโลยีวงจรรวมจะเน้นไปที่ระบบไร้สาย (wireless) การเชื่อมต่อกับตัวเซ็นเซอร์ (sensor interface) การใช้กำลังงานต่ำ (low power) ซึ่งเข้าทางแอนะล็อกมากกว่าดิจิตอล ดังนั้นจึงเชื่อได้เลยว่าแอนะล็อกจะยิ่งมีบทบาทที่สำคัญขึ้นไปอีก และวงจรรวมแบบผสม หรือ mixed-signal IC จะมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อย นั่นคือดิจิตอลและแอนะล็อกอยู่ร่วมกัน ส่งเสริมและเชิดชูซึ่งกันและกัน …Till death do us part

Analog is an Art…

แอนะล็อกคือศิลปะ คือคำพูดที่หลายคนนึกถึงแอนะล็อก ซึ่งมีส่วนจริงอยู่ไม่น้อย เพราะประสบการณ์มีผลต่อการออกแบบวงจรแอนะล็อก มากกว่าการออกแบบระบบดิจิตอล ซึ่งกำลังกลายเป็น software engineer หรือ programmer เข้าไปทุกทีแล้ว ดังนั้นพวกแอนะล็อกมักจะพูดว่าตัวเองมีความสำคัญกว่าพวกดิจิตอลและยากที่ เจ้านายจะไล่ออก จริงๆไม่ใช่ว่าสำคัญกว่าหรอก แต่เจ้านายท่านสามารถหานักออกแบบดิจิตอลมาแทนได้ง่ายกว่าการหานักออกแบบวงจร แอนะล็อกต่างหาก นอกจากนี้ วงจรดิจิตอลความเร็วสูงนั้นก็คือแอนะล็อกนะครับ สัญญาณสี่เหลี่ยมต่างๆที่คิดไว้มันไม่เหลี่ยมแล้วนะครับที่ความถี่สูงๆ ดังนั้นผู้ที่เข้าใจแอนะล็อกจะมีภาษีสูงกว่า digital programmer นะครับ

เอาล่ะ หมดเนื้อที่ หมดเวลาแล้วนะครับ ผมขอจบดื้อๆอย่างนี้เลย ขออภัยมือใหม่หัดเขียน และขอบคุณที่ทนอ่านจนจบ หวังว่าท่านคงได้เกร็ดความรู้และเข้าใจแอนะล็อกมากขึ้นนะครับ โอกาสหน้าจะมาสาธยายในรายละเอียดของเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆให้ท่าน อ่านอีก สวัสดีนะคร้าบ...

Back to E-magazine List
 

ECTI Association
99 M.18 Paholyothin Rd., Klong Luang, Pathumthani 12120, THAILAND
E-mail: ecti.secretary@gmail.com
Find us on: