इलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में, हम जो कुछ भी डिज़ाइन, अनुभव और प्रोसेस करते हैं, उसे मूलतः दो श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है: एनालॉग और डिजिटल। एनालॉग और डिजिटल सर्किट के बीच अंतर को समझना हर इलेक्ट्रॉनिक इंजीनियर या शिक्षार्थी के लिए मूलभूत प्रारंभिक ज्ञान है।
हम जिस वास्तविक दुनिया में रहते हैं वह एनालॉग है, जहाँ तापमान, ध्वनि, प्रकाश और दाब जैसी भौतिक राशियाँ लगातार बदलती रहती हैं। आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक उपकरण - चाहे वे स्मार्टफ़ोन हों, कंप्यूटर हों या उपग्रह प्रणालियाँ - ज़्यादातर डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स पर निर्भर करते हैं। इन दोनों तकनीकों के बीच मुख्य अंतर यह है कि हम सिग्नल कैसे प्राप्त करते हैं, संसाधित करते हैं और संचारित करते हैं।
यह लेख एनालॉग और डिजिटल के बीच मुख्य अंतरों को व्यवस्थित रूप से समझाएगा, उनकी कार्य-प्रणाली, डिज़ाइन विशेषताओं और एकीकृत परिपथों (ICs) और मुद्रित परिपथ बोर्डों (PCBs) में उनके एक साथ काम करने के तरीके को दर्शाएगा। चाहे एनालॉग सिग्नल बनाम डिजिटल सिग्नल की बुनियादी अवधारणाओं को सीखना हो, एनालॉग और डिजिटल डिज़ाइन विधियों पर शोध करना हो, या PCB लेआउट को अनुकूलित करना हो, यह लेख आपको इन दो प्रकार के परिपथों के मूल सिद्धांतों और अनुप्रयोग परिदृश्यों को पूरी तरह से समझने में मदद करेगा।
एनालॉग दुनिया और डिजिटल क्रांति
एनालॉग वास्तविकता
वास्तविक दुनिया में सभी परिवर्तन निरंतर होते हैं। जब हम तापमान मापते हैं, ध्वनि रिकॉर्ड करते हैं, या प्रकाश की तीव्रता को कैप्चर करते हैं, तो हमें जो सिग्नल मिलता है वह अचानक नहीं बदलता, बल्कि एक निरंतर बदलती तरंगरूप होता है - अनंत संभावित मानों वाला एक सहज वक्र। इस प्रकार के निरंतर तरंगरूप को एनालॉग सिग्नल कहते हैं।
इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों में, एनालॉग सर्किट सिग्नल को प्रवर्धित, फ़िल्टर या नियंत्रित करने के लिए निरंतर वोल्टेज या धारा मानों पर कार्य करते हैं। सामान्य एनालॉग सर्किट में एम्पलीफायर, फ़िल्टर, ऑसिलेटर और वोल्टेज रेगुलेटर शामिल होते हैं। ये सिग्नल को संसाधित, नियंत्रित या प्रवर्धित करने के लिए विभिन्न प्रकार के निष्क्रिय और सक्रिय घटकों का उपयोग करते हैं।
डिजिटल परिवर्तन
हालाँकि प्राकृतिक दुनिया एनालॉग है, आधुनिक तकनीक के विकास ने डिजिटल संकेतों को कंप्यूटिंग, संचार और नियंत्रण प्रणालियों का मूल बना दिया है। एक डिजिटल सर्किट में, वोल्टेज अब लगातार बदलता नहीं रहता, बल्कि दो निश्चित स्तरों के बीच स्विच करता है: लॉजिक "1" उच्च स्तर को दर्शाता है, और लॉजिक "0" निम्न स्तर को दर्शाता है।
डिजिटल सिग्नल असतत होता है। यह निरंतर वोल्टेज मानों के बजाय बाइनरी रूप (0 और 1) में सूचना प्रदर्शित करता है। चूँकि प्रत्येक सिग्नल की केवल दो अवस्थाएँ होती हैं, इसलिए डिजिटल सिस्टम शोर के प्रति कम संवेदनशील होते हैं और सिग्नलों की प्रतिकृति बनाना, संचारित करना और संग्रहीत करना आसान होता है। इसलिए, ये लंबी दूरी के डिजिटल प्रसारण के लिए अत्यधिक उपयुक्त होते हैं।
डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स में, लॉजिक गेट सर्किट डिज़ाइन के मूलभूत आधार हैं। AND, OR, और NOT गेट जैसी तार्किक संरचनाओं को मिलाकर, इंजीनियर मेमोरी, माइक्रोकंट्रोलर और माइक्रोप्रोसेसर जैसे विभिन्न कार्यात्मक मॉड्यूल बना सकते हैं। ये सभी आधुनिक कंप्यूटिंग और स्वचालन प्रणालियों के मूल में हैं।
जब हम ऑसिलोस्कोप पर एनालॉग सिग्नल और डिजिटल सिग्नल को प्लॉट करते हैं, तो अंतर बहुत स्पष्ट दिखाई देते हैं: एक एनालॉग तरंग एक सतत और चिकनी वक्र होती है, जैसे कि साइन तरंग। एक डिजिटल तरंग, खड़ी आयताकार स्पंदों की एक श्रृंखला से बनी होती है जो तार्किक उच्च और निम्न स्तरों के बीच आगे-पीछे स्विच करती हैं।
एनालॉग और डिजिटल सर्किट के बीच अंतर को समझना न केवल सिग्नल के स्वरूपों में अंतर करने के बारे में है, बल्कि दो अलग-अलग इलेक्ट्रॉनिक डिजाइन अवधारणाओं को समझने की कुंजी भी है:
• एनालॉग सर्किट का उपयोग वास्तविक दुनिया से निरंतर संकेतों को पकड़ने, बढ़ाने और पुनरुत्पादित करने के लिए किया जाता है।
• डिजिटल सर्किट इन संकेतों का सटीक विश्लेषण, गणना और नियंत्रण करने के लिए जिम्मेदार होते हैं।
ये दोनों सर्किट एक-दूसरे पर निर्भर और एक-दूसरे के पूरक हैं। लगभग सभी आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक उपकरण एनालॉग और डिजिटल दोनों प्रणालियों को एकीकृत करते हैं: सेंसर वाला भाग एनालॉग सिग्नल एकत्र करता है, जबकि प्रोसेसिंग और नियंत्रण वाले भाग डिजिटल सिग्नल को संभालते हैं। यह सहयोगात्मक डिज़ाइन इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को न केवल वास्तविक दुनिया को समझने में सक्षम बनाता है, बल्कि तार्किक कंप्यूटिंग और संचार को भी कुशलतापूर्वक करने में सक्षम बनाता है।
सर्किट के अंदर: एनालॉग बनाम डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स
एनालॉग सर्किट
एनालॉग सर्किट निरंतर परिवर्तनशील संकेतों से संबंधित होता है और एनालॉग इलेक्ट्रॉनिक्स का आधार बनता है। इसका उपयोग मुख्य रूप से उन विद्युत संकेतों को संसाधित करने के लिए किया जाता है जो ध्वनि, तापमान, दबाव या प्रकाश की तीव्रता जैसी भौतिक राशियों के समानुपाती होते हैं। सामान्य एनालॉग सर्किट में एम्पलीफायर, फ़िल्टर, ऑसिलेटर, सेंसर और ट्रांसड्यूसर शामिल होते हैं।
डिजिटल सर्किट
डिजिटल सर्किट बाइनरी लॉजिक पर आधारित होते हैं। किसी सर्किट में एक ट्रांजिस्टर की केवल दो अवस्थाएँ होती हैं: चालू या बंद। डिजिटल सिग्नल निश्चित वोल्टेज के बीच स्विच करते हैं, आमतौर पर 0V और 3.3V या 5V के बीच।
बुनियादी लॉजिक गेट्स को अधिक जटिल प्रणालियों, जैसे फ्लिप-फ्लॉप, काउंटर, मेमोरी यूनिट और सेंट्रल प्रोसेसिंग यूनिट (सीपीयू) में संयोजित किया जा सकता है। एनालॉग प्रणालियों के विपरीत, डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स में प्रबल शोर प्रतिरोध होता है और इन्हें अनुकरण करना आसान होता है, इनकी प्रतिकृति बनाना सुविधाजनक होता है, और ये समान तार्किक कार्यों को उच्च परिशुद्धता के साथ निष्पादित कर सकते हैं।
फिर भी, हर डिजिटल सिग्नल एनालॉग दुनिया से आता है या अंततः एनालॉग दुनिया में ही लौटता है। उदाहरण के लिए, माइक्रोफ़ोन द्वारा उत्पन्न ध्वनि एक एनालॉग सिग्नल है, जिसे संसाधित करने से पहले एनालॉग-टू-डिजिटल कनवर्टर (ADC) के माध्यम से डिजिटल रूप में परिवर्तित किया जाना आवश्यक है। फिर, स्पीकर को प्लेबैक के लिए चलाने हेतु इसे डिजिटल-टू-एनालॉग कनवर्टर (DAC) के माध्यम से पुनः एनालॉग सिग्नल में परिवर्तित किया जाता है।
इससे पता चलता है कि चाहे एनालॉग बनाम डिजिटल सर्किट हो या डिजिटल और एनालॉग सिग्नल, दोनों एक-दूसरे से गहराई से जुड़े और एक-दूसरे पर निर्भर हैं। आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम अक्सर इन दोनों को मिला देते हैं: एनालॉग हिस्सा वास्तविक सिग्नल इकट्ठा करने और आउटपुट करने के लिए ज़िम्मेदार होता है, जबकि डिजिटल हिस्सा प्रोसेसिंग, स्टोरेज और कंट्रोल के लिए ज़िम्मेदार होता है।
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एनालॉग और डिजिटल सर्किट के बीच मुख्य अंतर
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प्राचल
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एनालॉग सर्किट
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डिजिटल सर्किट
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संकेत प्रकार
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निरंतर
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असतत (बाइनरी)
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उदाहरण संकेत
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एक एनालॉग सिग्नल, जैसे कि साइन तरंग
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0 और 1 द्वारा दर्शाए गए डिजिटल सिग्नल
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शोर संवेदनशीलता
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हस्तक्षेप के प्रति संवेदनशील
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शोर के प्रति अत्यधिक प्रतिरोधी
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बिजली की खपत
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आमतौर पर उच्चतर
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आम तौर पर कम
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सटीकता और निष्ठा
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उच्च निष्ठा, परिशुद्धता आवश्यक
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परिमाणित, लेकिन दोहराने योग्य
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डिजाइन लचीलापन
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सीमित; मैनुअल ट्यूनिंग
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उच्च; प्रोग्रामयोग्य और उपकरण-सहायता प्राप्त
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गति
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आवृत्ति प्रतिक्रिया द्वारा सीमित
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उच्च गति घड़ी संचालन
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प्रमुख तत्व
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आर, एल, सी, ट्रांजिस्टर, ऑप-एम्प
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लॉजिक गेट, फ्लिप-फ्लॉप, आईसी
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प्रसंस्करण प्रकार
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निरंतर-समय प्रसंस्करण
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असतत-समय गणना
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सामान्य डोमेन
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सेंसर, ऑडियो, आरएफ, इंस्ट्रूमेंटेशन
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माइक्रोकंट्रोलर, सीपीयू, मेमोरी
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त्रुटि प्रकार
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बहाव और विरूपण
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परिमाणीकरण और पूर्णांकन त्रुटियाँ
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आधार सामग्री भंडारण
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सतत तरंगरूप
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बाइनरी बिट्स
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जैसा कि ऊपर दी गई तालिका से देखा जा सकता है, एनालॉग सिग्नल और डिजिटल सिग्नल, दोनों के अपने-अपने फायदे और नुकसान हैं। एनालॉग दुनिया ज़्यादा यथार्थवाद और विस्तृत प्रस्तुति प्रदान करती है, जबकि डिजिटल दुनिया तेज़ गति, ज़्यादा सटीकता और ज़्यादा मापनीयता प्रदान करती है।
एनालॉग और डिजिटल सर्किट के लिए पीसीबी डिज़ाइन दिशानिर्देश
आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों में, एनालॉग और डिजिटल सर्किट अक्सर एक ही पीसीबी पर एकीकृत होते हैं। उदाहरण के लिए, औद्योगिक नियंत्रकों, संचार मॉड्यूल, ऑडियो सिस्टम और उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में, एनालॉग और डिजिटल दोनों संकेतों को एक साथ संसाधित करने की आवश्यकता होती है।
इस डिज़ाइन को मिश्रित सिग्नल बोर्ड कहा जाता है। दोनों सिग्नलों की अलग-अलग विशेषताओं के कारण, सिग्नलों की अखंडता और सिस्टम की स्थिरता सुनिश्चित करने के लिए डिज़ाइन के दौरान सावधानीपूर्वक योजना और लेआउट का पालन किया जाना चाहिए।
एनालॉग पीसीबी डिज़ाइन नियम
1. कॉम्पैक्ट लेआउट और छोटे निशान
एनालॉग सर्किट को यथासंभव सघन रूप से व्यवस्थित किया जाना चाहिए, और परजीवी धारिता, प्रेरकत्व और शोर युग्मन को कम करने के लिए सभी सिग्नल ट्रेस को यथासंभव छोटा रखा जाना चाहिए। सिग्नल पथ जितना छोटा होगा, हस्तक्षेप की संभावना उतनी ही कम होगी, जो ऑडियो प्रवर्धन या सेंसर सिग्नल प्रोसेसिंग में विशेष रूप से महत्वपूर्ण है।
2. शोर स्रोत अलगाव
उच्च-आवृत्ति स्विचिंग शोर वाले उपकरणों (जैसे पावर कन्वर्टर, PWM नियंत्रक और DC-DC रेगुलेटर) को संवेदनशील एनालॉग क्षेत्रों से दूर रखें। यदि पूर्ण अलगाव संभव न हो, तो शोर स्रोत और एनालॉग क्षेत्र के बीच ग्राउंडिंग शील्डिंग या धातु अवरोधक बेल्ट लगाई जानी चाहिए।
3. समर्पित एनालॉग ग्राउंड प्लेन
एनालॉग सर्किट को एक स्वतंत्र एनालॉग ग्राउंड प्लेन (AGND) अपनाना चाहिए ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि धारा का वापसी पथ निरंतर रहे, बिना किसी विभाजन या अत्यधिक विआस के, ताकि ग्राउंड लूप से हस्तक्षेप से बचा जा सके। उच्च-परिशुद्धता वाले एम्पलीफायरों या सेंसर सर्किटों के लिए, ग्राउंड लेयर की अखंडता सिग्नल की सटीकता को सीधे प्रभावित करती है।
4. परिरक्षण और रक्षक रिंग
महत्वपूर्ण सिग्नल ट्रेस (जैसे सेंसर इनपुट, एम्पलीफायर आउटपुट) को सुरक्षित करें, और एनालॉग क्षेत्र के चारों ओर एक गार्ड रिंग लगाएँ। यह लेआउट डिजिटल क्षेत्र से एनालॉग सर्किट क्षेत्र में प्रवेश करने वाले विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप (EMI) को प्रभावी ढंग से कम कर सकता है।
डिजिटल पीसीबी डिज़ाइन नियम
1. उच्च गति सिग्नल योजना और नियंत्रित प्रतिबाधा
उच्च गति वाले डिजिटल सिग्नल (जैसे घड़ियाँ या डेटा बसें) के लिए एक उचित लेआउट बनाएँ ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि ट्रेस की प्रतिबाधा नियंत्रित रहे और परावर्तन तथा सिग्नल विरूपण को रोका जा सके। साथ ही, सिग्नल वापसी पथ की अखंडता सुनिश्चित करने के लिए पावर और ग्राउंड प्लेन संतुलित और निरंतर होने चाहिए।
2. विभेदक जोड़ी मिलान
संतुलित संकेतों की चरण संगति बनाए रखने के लिए विभेदक संकेत युग्मों (जैसे USB, ईथरनेट, LVDS) के लिए समान-लंबाई और समान-अंतराल वाली रूटिंग बनाए रखें। बेमेल होने पर विभेदक संकेत विकृत हो सकते हैं और उच्च-गति संचार की गुणवत्ता प्रभावित हो सकती है।
3. घड़ी और डेटा पृथक्करण
क्लॉक लाइन को एनालॉग ट्रेस से दूर रखा जाना चाहिए। डिजिटल सिग्नलों के उच्च-गति स्विचिंग से प्रबल विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र उत्पन्न हो सकते हैं। यदि वे एनालॉग चैनलों के निकट हों, तो क्रॉसटॉक और शोर हस्तक्षेप उत्पन्न होना आसान है।
4. वाया और स्टैक-अप नियंत्रण
सिग्नल आवृत्ति के आधार पर उपयुक्त वाया आकार और पीसीबी स्टैक-अप मोटाई का चयन करें। लूप क्षेत्र को कम करने और विकिरण हस्तक्षेप को कम करने के लिए उच्च-आवृत्ति सिग्नल परत को ज़मीन के करीब होना चाहिए।
मिश्रित-सिग्नल पीसीबी रणनीति
जब एनालॉग और डिजिटल सर्किट एक ही पीसीबी पर सह-अस्तित्व में होते हैं, तो हम प्रभावी अलगाव और हस्तक्षेप नियंत्रण प्राप्त करने के लिए निम्नलिखित रणनीतियों को अपना सकते हैं:
1. भौतिक पृथक्करण
पीसीबी लेआउट में, एनालॉग सर्किट और डिजिटल सेक्शन को भौतिक रूप से अलग करके अलग-अलग एनालॉग और डिजिटल क्षेत्र बनाए जाने चाहिए। डिजिटल सिग्नलों के तेज़ गति वाले स्विचिंग से हार्मोनिक्स और शोर उत्पन्न हो सकते हैं; अलगाव एनालॉग भाग पर उनके प्रभाव को रोक सकता है।
2. सिंगल-पॉइंट ग्राउंड कनेक्शन (स्टार ग्राउंड)
एनालॉग ग्राउंड (AGND) को डिजिटल ग्राउंड (DGND) से एक ही स्टार पॉइंट पर कनेक्ट करें। इससे ग्राउंड विभवांतर और लूप करंट की समस्याओं से बचा जा सकता है, और समग्र शोर प्रतिरोधक क्षमता में सुधार हो सकता है।
3. इंटरफ़ेस घटकों का उचित स्थान
एनालॉग क्षेत्र और डिजिटल क्षेत्र के जंक्शन पर एनालॉग-टू-डिजिटल कन्वर्टर्स (ADCs) और डिजिटल-टू-एनालॉग कन्वर्टर्स (DACs) स्थापित करें। इससे सिग्नल पथ की लंबाई कम हो सकती है और शोर की संभावना कम हो सकती है।
4. परिरक्षण और अलगाव
यदि डिजिटल ट्रांसमिशन द्वारा उत्पन्न उच्च-आवृत्ति हार्मोनिक्स एनालॉग सिग्नल को प्रभावित कर सकते हैं, तो संवेदनशील सर्किट के ऊपर धातु के परिरक्षण बॉक्स या तांबे के विभाजन लगाए जा सकते हैं। यह रेडियो आवृत्ति (आरएफ) या उच्च-लाभ सर्किट के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है।
निष्कर्ष
एनालॉग बनाम डिजिटल सर्किट की चर्चा कभी भी "कौन सा बेहतर है" की तुलना करने के बारे में नहीं रही है, बल्कि यह समझने के बारे में रही है कि वे एक साथ कैसे काम करते हैं और एक-दूसरे के साथ कैसे सहयोग करते हैं। एनालॉग दुनिया निरंतर और प्राकृतिक सिग्नल प्रदान करती है; दूसरी ओर, डिजिटल दुनिया उच्च परिशुद्धता, तेज़ गति और बेहतर नियंत्रण क्षमता प्रदान करती है।
आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों में, एनालॉग और डिजिटल सिग्नल हमेशा से एक साथ मौजूद रहे हैं। एनालॉग डिज़ाइन सभी इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों का आधार है। स्थिर एनालॉग तकनीक के बिना, विश्वसनीय डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स संभव नहीं है।
इस बीच, डिजिटल ट्रांसमिशन, एम्बेडेड सिस्टम और हाई-स्पीड लॉजिक के विकास के साथ, डिजिटल प्रौद्योगिकी तेजी से उच्च-प्रदर्शन एनालॉग सर्किट पर निर्भर हो रही है।
भविष्य की इलेक्ट्रॉनिक प्रौद्योगिकी अब एकल एनालॉग या डिजिटल नहीं होगी, बल्कि दोनों का संयोजन होगी - डिजिटल और एनालॉग सिग्नल मिलकर इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों को अधिक स्मार्ट, अधिक कुशल और अधिक विश्वसनीय बनाएंगे।
