模拟电路设计之我见
2020-04-16
14:00:22
来源: 半导体行业观察
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芯启示
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谢谢。
物联网、人工智能、大数据和云计算等应用领域近年来快速发展，对高性能低功耗的集成电路的需求越来越迫切。同时，每年全世界集成电路规模超过了三千亿美元。
而我国的集成电路，近些年来虽然已经取得了长足的进步，但在高端领域，大部分仍依赖于进口。中美贸易战，更表明可以预见的未来集成电路在我国仍然是需要并且必须大力发展，并能取得很大突破的方向。
自然界中的信号，诸如光、电和声音等，都是模拟的信号。由于这些信号最终都必须在数字领域方面进行处理，所以就要对它们进行转换。
而其中的传感器、发射器、接收器、滤波、放大、转换等功能，都是属于模拟电路设计的部分，需要经验丰富的模拟设计者来完成。
在二十世纪五十年代后期，提出了同一衬底上摆放多个电子元件的思想。近几十年来，这种技术已经从生产只包含少量元件的芯片，发展到能容纳百亿以上晶体管的芯片。
正如intel公司的创始人之一戈登摩尔预言的，每个芯片上晶体管的数量大约每十八个月翻一番。
与此同时，晶体管的尺寸也从上世纪六十年代的二十五微米下降到如今的七纳米，从而是集成电路的速度得到了巨大的提高。
信息的存储处理传输和量化等等的近乎所有的过程，都可以在小小的芯片上实现。这种基础性科技的大发展，必然会推动经济金融商业等等各行各业的飞速发展。
那么CMOS技术为何能后来居上，在市场上占居主流的地位呢？根本原因是器件尺寸的按比例缩小。这样，器件工作的速度可以不断地加快，并伴随着成本和功耗的降低。相对比而言，双极器件则发展慢了许多。
模拟集成电路设计，本质就是在速度、功耗、增益、精度、电源电压、线性度等多重因素间折衷。
不存在一劳永逸的设计方法。有时候对某一个指标要求极高，则可以舍弃其它的性能。有时候对其中的几个要求比较高，则根据这个新要求，又要重新设计。数字电路则不同，只需要在速度和功耗之间折衷。
模拟信号处理过程中要求速度和精度的同时，对噪声、串扰和其它干扰的比数字电路要敏感得多。
就好像有的人体质好，对温度适应范围宽，变个二三十度也没有一点问题。而有的人则不然，温度稍稍一变，就容易感冒。模拟信号就类似于后者。
数字电路中，基本不考虑器件的体效应、亚阈值效应及沟道长度效应等。
在模拟电路中，好多的时候，这些二级效应对电路的性能会有显著的影响。比如，是否消除沟道长度调制效应，一个带隙基准电路的温度系数可能有几倍的差异。
数字电路设计的自动化程度已经非常高，好多都可以自动综合和布局。
然而在高性能模拟电路中，很少能够自动完成，通常每一个元件都需要手工设计。这有点像汽车的生产，高端的豪车，如法拉利劳斯莱斯等，仍然需要大量的手工。
模拟电路中许多效应的建模和仿真仍然存在难题，这时候经验和直觉就显得无比的重要。悟性也非常重要。
就好像鸣人教木叶丸螺旋丸之术，感觉连教都算不上，就提点了几下，而且也没说到重点上。可能鸣人自己也不知道重点是什么。可就是这样的以其昏昏的老师，木叶丸竟然学会了。
现代半导体工业一个重要的目标，是用制造数字产品的主流集成电路技术来设计模拟电路。由于这种主流技术视为数字电路开发的，具有数字电路的特征，它不容易被模拟集成电路设计所利用。为了设计高性能的电路，需要开发新颖的电路和结构。
一种是从量子力学开始，通晓半导体物理、器件物理、器件模型、固体物理学、大学物理、电路、电磁场等等，最后是电路设计。
一种是把每个半导体器件都看做一个黑匣子，其行为用它的端电压和端电流来描述，忽略器件的内部工作原理。
在第一种方法中，物理现象与所涉及电路间的关系不太明显，而在第二种方法中，黑匣子的内容常常为人所不解，关键是还需要用到它内部的原理，这就很麻烦。
经验表明，综合使用两种方法，可能会有好的效果。单独用一种方法，都可能只见树木不见森林。
充分掌握半导体器件的知识，对于模拟电路设计比对数字电路更为重要。因为在模拟电路中，晶体管不能简单地等效为一个开关，许多二级效应也会直接影响电路的性能。
同时随着技术的发展，每一代都会有更小的尺寸，这些二级效应就更为明显。设计者往往必须确定哪些效应在给定的设计中可以被忽略，因此，深入了解器件和工作原理也是很有必要的。
好的模拟电路设计者，需要有敏锐的直觉、严密的态度和创新的精神。
必须以工程师的眼光快速而直觉地宏观上理解一个大的电路，以数学家的智慧量化其中难以捉摸而又重要的效应，以艺术家的灵感发明新的电路结构。
初学的时候，执着于招式和器械。自以为招式掌握了，器械也娴熟了，可以独当一面，一入江湖，发现打不过几个人。
慢慢地，看到了更多的精妙招式，果然人外有人天外有天，自己还是太嫩了。
带着经验教训，从此潜心修炼，到一定境界了，草木花石皆可为剑，可能还是原来的招式，但仔细看来又处处不同，此时已经不拘泥于套路，而是形随意转浑然天成了。
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