模擬IC設(shè)計(jì)，必須掌握這四個(gè)部分

眾所周知，模擬電路難學(xué)，以最普遍的晶體管來(lái)說(shuō)，我們分析它的時(shí)候必須首先分析直流偏置，其次在分析交流輸出電壓?？梢哉f(shuō)，確定工作點(diǎn)就是一項(xiàng)相當(dāng)麻煩的工作(實(shí)際中來(lái)說(shuō))，晶體管的參數(shù)多、參數(shù)的離散性也較大。但值得我們注意的是，模擬電路構(gòu)建了電子行業(yè)的基礎(chǔ)，至今為止，電子技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到如此高的水平。但如果我們觀察各種電子電路的發(fā)展，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)：幾乎所有的電子技術(shù)都離不開(kāi)放大技術(shù)。即使是數(shù)字芯片內(nèi)部，其基本單元都是互補(bǔ)型源極接地放大電路。模擬電子技術(shù)的重要性時(shí)不我待。

模擬電路再怎么說(shuō)，關(guān)鍵的是多學(xué)多做，做出片子就自然懂得哪些知識(shí)點(diǎn)需要掌握了。這里就主要談?wù)剬W(xué)習(xí)模擬電路要求的四個(gè)知識(shí)部分，要成為模擬電路的設(shè)計(jì)者，我們必須掌握其最基本的以下四個(gè)組成部分：

(1)晶體管元件的設(shè)計(jì)

它是指半導(dǎo)體工程學(xué)方面的知識(shí)，任何設(shè)計(jì)的IC芯片都將最終回歸于它，一般都是從薛定諤波動(dòng)方程式開(kāi)始引出的(比較復(fù)雜)，但與實(shí)際具體設(shè)計(jì)電路直接聯(lián)系不大，而我們又不能缺少這部分，是理論基礎(chǔ)。

(2)晶體管電路的設(shè)計(jì)

要從事模擬電路設(shè)計(jì)事實(shí)上必須掌握晶體管電路的基本知識(shí)，推薦一邊學(xué)習(xí)一邊實(shí)驗(yàn)、仿真，PSPICE之類的都可以，通一個(gè)就行，同時(shí)要注意多想多動(dòng)手。時(shí)間長(zhǎng)了自然能掌握晶體管電路的設(shè)計(jì)技術(shù)，這里面的學(xué)習(xí)，我們就開(kāi)始掌握經(jīng)驗(yàn)。晶體管、FET是構(gòu)建整個(gè)電路的基礎(chǔ)，這里學(xué)通了，諸多IC的原理圖就很直觀了。

(3)功能模塊的設(shè)計(jì)

功能模塊主要以各種各樣的運(yùn)放為基礎(chǔ)，包括AD、 DA、PLL、穩(wěn)壓源等等，它們都主要是由晶體管構(gòu)成的，功能模塊設(shè)計(jì)工程中都會(huì)將元器件適當(dāng)?shù)睦硐牖＿@部分的學(xué)習(xí)是十分重要的。一般都是從這里開(kāi)始學(xué)習(xí)模擬電路，這部分相對(duì)來(lái)說(shuō)比較易懂，也是模擬電路學(xué)習(xí)的切入點(diǎn)。

(4)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

這部分就需要相當(dāng)?shù)母叨龋枰獞]方方面面。

其實(shí)，說(shuō)實(shí)在的，真正做過(guò)一兩塊片子就差不多能通大半部分。 關(guān)鍵是試驗(yàn)、動(dòng)手。

模擬電路的境界

復(fù)旦攻讀微電子專業(yè)模擬芯片設(shè)計(jì)方向研究生開(kāi)始到現(xiàn)在五年工作經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)整整八年了，其間聆聽(tīng)過(guò)很多國(guó)內(nèi)外專家的指點(diǎn)。最近，應(yīng)朋友之邀，寫一點(diǎn)心得體會(huì)和大家共享。

我記得本科剛畢業(yè)時(shí)，由于本人打算研究傳感器的，后來(lái)陰差陽(yáng)錯(cuò)進(jìn)了復(fù)旦逸夫樓專用集成電路與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室做研究生?，F(xiàn)在想來(lái)這個(gè)實(shí)驗(yàn)室名字大有深意，只是當(dāng)時(shí)惘然。

電路和系統(tǒng)，看上去是兩個(gè)概念， 兩個(gè)層次。 我同學(xué)有讀電子學(xué)與信息系統(tǒng)方向研究生的，那時(shí)候知道他們是“系統(tǒng)”的，而我們呢，是做模擬“電路”設(shè)計(jì)的，自然要偏向電路。而模擬芯片設(shè)計(jì)初學(xué)者對(duì)奇思淫巧的電路總是很崇拜，尤其是這個(gè)領(lǐng)域的最權(quán)威的雜志JSSC(IEEE Journal of solid state circuits)， 以前非常喜歡看，當(dāng)時(shí)立志看完近二十年的文章，打通奇經(jīng)八脈，總是憧憬啥時(shí)候咱也灌水一篇， 那時(shí)候國(guó)內(nèi)在此雜志發(fā)的文章鳳毛麟角， 就是在國(guó)外讀博士，能夠在上面發(fā)一篇也屬優(yōu)秀了。

讀研時(shí)，我導(dǎo)師是鄭增鈺教授，李聯(lián)老師當(dāng)時(shí)已經(jīng)退休，逸夫樓邀請(qǐng)李老師每個(gè)禮拜過(guò)來(lái)指導(dǎo)。鄭老師治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，女中豪杰。李老師在模擬電路方面屬于國(guó)內(nèi)先驅(qū)人物，現(xiàn)在在很多公司被聘請(qǐng)為專家或顧問(wèn)。 李老師在87年寫的一本(運(yùn)算放大器設(shè)計(jì));即使現(xiàn)在看來(lái)也是經(jīng)典之作。李老師和鄭老師是同班同學(xué)，所以很要好，我自然相對(duì)于我同學(xué)能夠幸運(yùn)地得到李老師的指點(diǎn)。

李老師和鄭老師給我的培養(yǎng)方案是：先從運(yùn)算放大器學(xué)起。所以我記得我剛開(kāi)始從小電流源開(kāi)始設(shè)計(jì)。那時(shí)候感覺(jué)設(shè)計(jì)就是靠仿真調(diào)整參數(shù)。但是我卻永遠(yuǎn)記住了李老師語(yǔ)重心長(zhǎng)的話：運(yùn)放是基礎(chǔ)，運(yùn)放設(shè)計(jì)弄好了，其他的也就容易了。當(dāng)時(shí)不大理解，我同學(xué)的課題都是AD/DA，鎖相環(huán)等“高端”的東東，而李老師和鄭老師卻要我做“原始”的模塊，我僅有的在(固體電子學(xué)) (國(guó)內(nèi)的垃圾雜志)發(fā)過(guò)的一篇論文就是軌到軌(rail-to-rail)放大器。 做的過(guò)程中很郁悶，非常羨慕我同學(xué)的項(xiàng)目，但是感覺(jué)李老師和鄭老師講的總有他們道理，所以我就專門看JSSC運(yùn)放方面的文章，基本上近20多年的全看了。

當(dāng)時(shí)以為很懂這個(gè)了，后來(lái)工作后才發(fā)現(xiàn)其實(shí)還沒(méi)懂。 所謂懂，是要真正融會(huì)貫通，否則塞在腦袋里的知識(shí)再多，也是死的。但是運(yùn)算放大器是模擬電路的基石，只有根基扎實(shí)方能枝繁葉茂，兩位老師的良苦用心工作以后才明白?？偟膩?lái)說(shuō)，在復(fù)旦，我感觸最深的就是鄭老師的嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)之風(fēng)和李老師的這句話。

碩士畢業(yè)，去找工作，當(dāng)時(shí)有幾個(gè)offer。 我?guī)熜謱O立平， 李老師的關(guān)門弟子，推薦我去新濤科技，他說(shuō)里面有個(gè)常仲元，魯汶天主教大學(xué)博士，很厲害。我聽(tīng)從師兄建議就去了。新濤當(dāng)時(shí)已經(jīng)被IDT以8500萬(wàn)美金收購(gòu)了，成為國(guó)內(nèi)第一家成功的芯片公司。面試我的是公司創(chuàng)始人之一的總經(jīng)理Howard. C. Yang(楊崇和)。 Howard是Oregon State University 的博士，鎖相環(huán)專家。面試時(shí)他當(dāng)時(shí)要我畫了一個(gè)兩級(jí)放大器帶Miller補(bǔ)償?shù)模?我很熟練。他說(shuō)你面有個(gè)零點(diǎn)，我很奇怪，從沒(méi)聽(tīng)過(guò)，云里霧里，后來(lái)才知道這個(gè)是Howard在國(guó)際上首先提出來(lái)的， 等效模型中有個(gè)電阻，他自己命名為楊氏電阻。 當(dāng)時(shí)出于禮貌，不斷點(diǎn)頭。不過(guò)他們還是很滿意，反正就這樣進(jìn)去了。我呢，面試的惟一的遺憾是沒(méi)見(jiàn)到常仲元，大概他出差了。

進(jìn)入新濤后，下了決心準(zhǔn)備術(shù)業(yè)有專攻。因?yàn)楸究坪脱芯可鷷r(shí)喜歡物理，數(shù)學(xué)和哲學(xué)，花了些精力在這些上面。工作后就得真刀真槍的干了。每天上班仿真之余和下班后，就狂看英文原版書。第一本就是現(xiàn)在流行的Razavi的那本書。讀了三遍。感覺(jué)大有收獲。那時(shí)候在新濤，初生牛犢不怕虎，應(yīng)該來(lái)說(shuō)，我還是做得很出色的，因此得到?？偟馁p識(shí)，被他評(píng)價(jià)為公司內(nèi)最有potential的人。偶爾?？倳?huì)過(guò)來(lái)指點(diǎn)一把，別人很羨慕。其實(shí)我就記住了?？傆写瘟奶鞎r(shí)給我講的心得， 他大意是說(shuō)做模擬電路設(shè)計(jì)有三個(gè)境界：第一是會(huì)手算，意思是說(shuō)pensile-to-paper， 電路其實(shí)應(yīng)該手算的，仿真只是證明手算的結(jié)果。第二是，算后要思考，把電路變成一個(gè)直觀的東西。 第三就是創(chuàng)造電路。

我大體上按照這三部曲進(jìn)行的。Razavi的那本書后面的習(xí)題我仔細(xì)算了。公司的項(xiàng)目中，我也力圖首先以手算為主， 放大器的那些參數(shù)，都是首先計(jì)算再和仿真結(jié)果對(duì)比。久而久之，我手計(jì)算的能力大大提高，一些小信號(hào)分析計(jì)算，感覺(jué)非常順手。這里講一個(gè)小插曲，有一次在一個(gè)項(xiàng)目中，一個(gè)保護(hù)回路AC仿真總不穩(wěn)定，調(diào)來(lái)調(diào)去，總不行，這兒加電容，那兒加電阻，試了幾下都不行，就找?？偭恕Ｒ?yàn)檫@個(gè)回路很大，所以感覺(jué)是瞎子摸象。?？傄贿^(guò)來(lái)三下五除二就擺平了， 他仔細(xì)看了，然后就導(dǎo)出一個(gè)公式，找出了主極點(diǎn)和帶寬表達(dá)式。通過(guò)這件事，我對(duì)?？偱宸梦弩w投地， 同時(shí)也知道直觀的威力。所以后來(lái)看書時(shí)，都會(huì)仔細(xì)推導(dǎo)書中的公式，然后再直觀思考信號(hào)流， 不直觀不罷手。一年多下來(lái)， 對(duì)放大器終于能夠透徹理解了，感覺(jué)學(xué)通了， 通之后發(fā)現(xiàn)一通百通。最后總結(jié)：放大器有兩個(gè)難點(diǎn)，一個(gè)是頻率響應(yīng)，一個(gè)是反饋。

其實(shí)所謂電路直觀，就是用從反饋的角度來(lái)思考電路。每次分析了一些書上或者JSSC上的“怪異”電路后，都會(huì)感嘆：反饋呀，反饋!然后把分析的心得寫在paper上面。

學(xué)通一個(gè)領(lǐng)域后再學(xué)其他相關(guān)領(lǐng)域會(huì)有某種“加速”作用。 ?？偟姆绞绞敲看巫鲆粋€(gè)新項(xiàng)目時(shí)，讓下面人先研究研究。我在離開(kāi)新濤前，做了一個(gè)鎖相環(huán)。 我以前沒(méi)做過(guò)，然后就把我同學(xué)的碩士論文，以及書和很多paper弄來(lái)研究，研究了一個(gè)半月，常總過(guò)來(lái)問(wèn)我：鎖相環(huán)的3dB帶寬弄懂了吧? 我笑答：早就弄懂了。

我強(qiáng)大的運(yùn)放的頻率響應(yīng)知識(shí)用在鎖相環(huán)上，小菜了。我這時(shí)已經(jīng)去研究高深的相位噪聲和jitter了。之后不久，一份30多頁(yè)的英文研究報(bào)告發(fā)出來(lái)，?？偞蠹淤澷p!。 后來(lái)在COMMIT時(shí)，有個(gè)項(xiàng)目是修改一個(gè)RF Transceiver芯片， 使之從WCDMA到TD-SCDMA。里面有個(gè)基帶模擬濾波器。我以前從沒(méi)接觸過(guò)濾波器，就花了兩個(gè)月時(shí)間，看了三本英文原版書，第一本有900多頁(yè)，和N多paper， 一下子對(duì)整個(gè)濾波器領(lǐng)域，開(kāi)關(guān)電容的，GmC的，Active RC的都懂了。提出修改方案時(shí)， 由于我運(yùn)放根基扎實(shí)，看文章時(shí)對(duì)于濾波器信號(hào)流很容易懂，所以很短時(shí)間就能一個(gè)人提出芯片電路原理分析和修改方案。最后報(bào)告寫出來(lái)(也是我的又一個(gè)得意之作)，送給TI. TI那邊對(duì)這邊一下子肅然起敬，Conference call時(shí)， 他們首先說(shuō)這份報(bào)告是“Great job!”，我英文沒(méi)聽(tīng)懂，Julian對(duì)我夸大拇指，說(shuō)“他們對(duì)你評(píng)價(jià)很高呢”。后來(lái)去Dallas， TI那邊對(duì)我們很尊敬， 我做報(bào)告時(shí)，很多人來(lái)聽(tīng)?？傊?，現(xiàn)在知道，凡事情，基礎(chǔ)很重要，基礎(chǔ)扎實(shí)學(xué)其他的很容易切入， 并且越學(xué)越快。

我是02年11月去的COMMIT，當(dāng)時(shí)面試我的也是我現(xiàn)在公司老板Julian。 Julian問(wèn)我：你覺(jué)得SOC (system on chip)設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)在哪兒? 我說(shuō)：應(yīng)該是模擬電路吧，這個(gè)比較難一些。Julian說(shuō)錯(cuò)了，是系統(tǒng)。我當(dāng)時(shí)很不以為然， 覺(jué)得模擬電路工程師應(yīng)該花精力在分析和設(shè)計(jì)電路上。 Julian后來(lái)自己run了現(xiàn)在這公司On-Bright，把我也帶來(lái)， 同時(shí)也從TI拉了兩個(gè)，有一個(gè)是方博士。我呢，給Julian推薦了朱博士。這一兩年，我和朱博士對(duì)方博士佩服得五體投地。方博士是TI***里面的頂級(jí)高手， 做產(chǎn)品能力超強(qiáng)。On-Bright現(xiàn)在做電源芯片，我和朱博士做了近兩年，知道了系統(tǒng)的重要性。

芯片設(shè)計(jì)最終一定要走向系統(tǒng)， 這個(gè)是芯片設(shè)計(jì)的第四重境界。電路如同磚瓦，系統(tǒng)如同大廈。芯片設(shè)計(jì)工程師一定要從系統(tǒng)角度考慮問(wèn)題，否則就是只見(jiàn)樹木，不見(jiàn)森林。電源芯片中，放大器，比較器都是最最普通的， 其難點(diǎn)在于對(duì)系統(tǒng)的透徹理解。在On-Bright，我真正見(jiàn)識(shí)了做產(chǎn)品，從定義到設(shè)計(jì)，再到debug， 芯片測(cè)試和系統(tǒng)測(cè)試，最后到RTP (release to production)。 Julian把TI的先進(jìn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程和項(xiàng)目管理方式引入On-Bright，我和朱博士算是大開(kāi)眼界，也知道了做產(chǎn)品的艱辛。

產(chǎn)品和學(xué)術(shù)是兩片天地，學(xué)術(shù)可以天馬行空，做出一個(gè)樣品就OK了。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)是一個(gè)系統(tǒng)工程，牽涉到方方面面的工作。

模擬電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

模擬電路的設(shè)計(jì)是工程師們最頭疼、但也是最致命的設(shè)計(jì)部分，盡管目前數(shù)字電路、大規(guī)模集成電路的發(fā)展非常迅猛，但是模擬電路的設(shè)計(jì)仍是不可避免的，有時(shí)也是數(shù)字電路無(wú)法取代的，例如 RF射頻電路的設(shè)計(jì)!這里將模擬電路設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的問(wèn)題總結(jié)如下，有些純屬經(jīng)驗(yàn)之談，還望大家多多補(bǔ)充、多多批評(píng)指正!。。。

(1)為了獲得具有良好穩(wěn)定性的反饋電路，通常要求在反饋環(huán)外面使用一個(gè)小電阻或扼流圈給容性負(fù)載提供一個(gè)緩沖。

(2)積分反饋電路通常需要一個(gè)小電阻(約 560 歐)與每個(gè)大于 10pF 的積分電容串聯(lián)。

(3)在反饋環(huán)外不要使用主動(dòng)電路進(jìn)行濾波或控制 EMC 的 RF 帶寬，而只能使用被動(dòng)元件(最好為 RC 電路)。僅僅在運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益比閉環(huán)增益大的頻率下，積分反饋方法才有效。在更高的頻率下，積分電路不能控制頻率響應(yīng)。

(4)為了獲得一個(gè)穩(wěn)定的線性電路，所有連接必須使用被動(dòng)濾波器或其他抑制方法(如光電隔離)進(jìn)行保護(hù)。

(5)使用 EMC 濾波器，并且與 IC 相關(guān)的濾波器都應(yīng)該和本地的 0V 參考平面連接。(6)在外部電纜的連接處應(yīng)該放置輸入輸出濾波器，任何在沒(méi)有屏蔽系統(tǒng)內(nèi)部的導(dǎo)線連接處都需要濾波，因?yàn)榇嬖谔炀€效應(yīng)。另外，在具有數(shù)字信號(hào)處理或開(kāi)關(guān)模式的變換器的屏蔽系統(tǒng)內(nèi)部的導(dǎo)線連接處也需要濾波。

(7)在模擬 IC 的電源和地參考引腳需要高質(zhì)量的 RF 去耦，這一點(diǎn)與數(shù)字 IC 一樣。但是模擬 IC 通常需要低頻的電源去耦，因?yàn)槟M元件的電源噪聲抑制比(PSRR)在高于 1KHz 后增加很少。在每個(gè)運(yùn)放、比較器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的模擬電源走線上都應(yīng)該使用 RC或LC 濾波。電源濾波器的拐角頻率應(yīng)該對(duì)器件的 PSRR拐角頻率和斜率進(jìn)行補(bǔ)償，從而在整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)獲得所期望的 PSRR 。

(8)對(duì)于高速模擬信號(hào)，根據(jù)其連接長(zhǎng)度和通信的最高頻率，傳輸線技術(shù)是必需的。即使是低頻信號(hào)，使用傳輸線技術(shù)也可以改善其抗干擾性，但是沒(méi)有正確匹配的傳輸線將會(huì)產(chǎn)生天線效應(yīng)。

(9)避免使用高阻抗的輸入或輸出，它們對(duì)于電場(chǎng)是非常敏感的。

(10)由于大部分的輻射是由共模電壓和電流產(chǎn)生的，并且因?yàn)榇蟛糠汁h(huán)境的電磁干擾都是共模問(wèn)題產(chǎn)生的，因此在模擬電路中使用平衡的發(fā)送和接收(差分模式)技術(shù)將具有很好的 EMC 效果，而且可以減少串?dāng)_。平衡電路(差分電路)驅(qū)動(dòng)不會(huì)使用 0V 參考系統(tǒng)作為返回電流回路，因此可以避免大的電流環(huán)路，從而減少 RF 輻射。

(11)比較器必須具有滯后(正反饋)，以防止因?yàn)樵肼暫透蓴_而產(chǎn)生的錯(cuò)誤的輸出變換，也可以防止在斷路點(diǎn)產(chǎn)生振蕩。不要使用比需要速度更快的比較器(將 dV/dt保持在滿足要求的范圍內(nèi)，盡可能低)。

(12)有些模擬 IC 本身對(duì)射頻場(chǎng)特別敏感，因此常常需要使用一個(gè)安裝在 PCB 上，并且與 PCB 的地平面相連接的小金屬屏蔽盒，對(duì)這樣的模擬元件進(jìn)行屏蔽。注意，要保證其散熱條件。