模擬電路設(shè)計(jì)的九重境界

01

我記得本科剛畢業(yè)時(shí)，由于本人打算研究傳感器的，后來陰差陽錯(cuò)進(jìn)了復(fù)旦逸夫樓專用集成電路與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室做研究生。現(xiàn)在想來這個(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)候國內(nèi)在此雜志發(fā)的文章鳳毛麟角， 就是在國外讀博士，能夠在上面發(fā)一篇也屬優(yōu)秀了。

02

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，逸夫樓邀請李老師每個(gè)禮拜過來指導(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內(nèi)先驅(qū)人物，現(xiàn)在在很多公司被聘請為專家或顧問。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。所以我記得我剛開始從小電流源開始設(shè)計(jì)。那時(shí)候感覺設(shè)計(jì)就是靠仿真調(diào)整參數(shù)。

但是我卻永遠(yuǎn)記住了李老師語重心長的話：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)）（國內(nèi)的垃圾雜志）發(fā)過的一篇論文就是軌到軌（rail-to-rail）放大器。

做的過程中很郁悶，非常羨慕我同學(xué)的項(xiàng)目，但是感覺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，后來工作后才發(fā)現(xiàn)其實(shí)還沒懂。所謂懂，是要真正融會貫通，否則塞在腦袋里的知識再多，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。

總的來說，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，他說里面有個(gè)常仲元，魯汶天主教大學(xué)博士，很厲害。

我聽從師兄建議就去了。新濤當(dāng)時(shí)已經(jīng)被IDT以8500萬美金收購了，成為國內(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)兩級放大器帶Miller補(bǔ)償?shù)模?我很熟練。他說你面有個(gè)零點(diǎn)，我很奇怪，從沒聽過，云里霧里，后來才知道這個(gè)是Howard在國際上首先提出來的，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見到常仲元， 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。

03

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。感覺大有收獲。

那時(shí)候在新濤，初生牛犢不怕虎，應(yīng)該來說，我還是做得很出色的，因此得到?？偟馁p識，被他評價(jià)為公司內(nèi)最有potential的人。偶爾常總會過來指點(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，他大意是說做模擬電路設(shè)計(jì)有三個(gè)境界：

第一是會手算，意思是說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)果對比。久而久之，我手計(jì)算的能力大大提高，一些小信號分析計(jì)算，感覺非常順手。

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，就找常總了。

因?yàn)檫@個(gè)回路很大，所以感覺是瞎子摸象。?？傄贿^來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。

通過這件事，我對?？偱宸梦弩w投地， 同時(shí)也知道直觀的威力。所以后來看書時(shí)，都會仔細(xì)推導(dǎo)書中的公式，然后再直觀思考信號流，不直觀不罷手。一年多下來， 對放大器終于能夠透徹理解了，感覺學(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。

我在離開新濤前，做了一個(gè)鎖相環(huán)。我以前沒做過，然后就把我同學(xué)的碩士論文，以及書和很多paper弄來研究。

研究了一個(gè)半月，常總過來問我：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多頁的英文研究報(bào)告發(fā)出來，常總大加贊賞！。后來在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。我以前從沒接觸過濾波器，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，和N多paper， 一下子對整個(gè)濾波器領(lǐng)域，開關(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)對于濾波器信號流很容易懂，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（也是我的又一個(gè)得意之作），送給TI.，TI那邊對這邊一下子肅然起敬，Conference call時(shí)， 他們首先說這份報(bào)告是“Great job！”，我英文沒聽懂，Julian對我夸大拇指，說“他們對你評價(jià)很高呢”。

后來去Dallas， TI那邊對我們很尊敬， 我做報(bào)告時(shí)，很多人來聽。

04

總之，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問我：你覺得SOC （system on chip）設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)在哪兒？

我說：應(yīng)該是模擬電路吧，這個(gè)比較難一些。Julian說錯(cuò)了，是系統(tǒng)。

我當(dāng)時(shí)很不以為然， 覺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后來自己run了現(xiàn)在這公司On-Bright，把我也帶來， 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，我和朱博士對方博士佩服得五體投地。

方博士是TI華人里面的頂級高手， 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)角度考慮問題，否則就是只見樹木，不見森林。

電源芯片中，放大器，比較器都是最最普通的， 其難點(diǎn)在于對系統(tǒng)的透徹理解。

在On-Bright，我真正見識了做產(chǎn)品，從定義到設(shè)計(jì)，再到debug， 芯片測試和系統(tǒng)測試，最后到RTP （release to production）。

Julian把TI的先進(jìn)產(chǎn)品開發(fā)流程和項(xiàng)目管理方式引入On-Bright，我和朱博士算是大開眼界，也知道了做產(chǎn)品的艱辛。

█ 模擬電路設(shè)計(jì)的九重境界

第一重：你剛開始進(jìn)入這行，對PMOS/NMOS/BJT什么的只不過有個(gè)大概的了解，各種器件的特性你也不太清楚，具體設(shè)計(jì)成什么樣的電路你也沒什么主意，你的電路圖主要看國內(nèi)雜志上的文章，或者按照教科書上現(xiàn)成的電路，你總覺得他們說得都有道理。你做的電路主要是小規(guī)模的模塊，做點(diǎn)差分運(yùn)放，或者帶隙基準(zhǔn)的仿真什么的你就計(jì)算著發(fā)文章，生怕到時(shí)候論文湊不夠。總的來說，基本上看見運(yùn)放還是發(fā)怵。你覺得spice是一個(gè)非常難以使用而且古怪的東西。

第二重：你開始知道什么叫電路設(shè)計(jì)，天天捧著本教科書在草稿紙上狂算一氣。你也經(jīng)常開始提起一些技術(shù)參數(shù)，Vdsat、lamda、early voltage、GWB、ft之類的?？傆X得有時(shí)候電路和手算得差不多，有時(shí)候又覺得差別挺大。你也開始關(guān)心電壓，溫度和工藝的變化。例如低電壓、低功耗系統(tǒng)什么的?；蛘呤浅咚俑呔鹊氖裁礀|東，時(shí)不時(shí)也來上兩句。你設(shè)計(jì)電路時(shí)開始計(jì)劃著要去tape out，雖然tape out看起來還是挺遙遠(yuǎn)的。這個(gè)階段中，你覺得spice很強(qiáng)大，但經(jīng)常會因?yàn)锳C仿真結(jié)果不對而大傷腦筋。

第三重：你已經(jīng)和PVT斗爭了一段時(shí)間了，但總的來說基本上還是沒有幾次成功的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。你覺得要設(shè)計(jì)出真正能用的電路真的很難，你急著想建立自己的信心，可你不知道該怎么辦。你開始閱讀一些JSSC或者博士論文什么的，可你覺得他們說的是一回事，真正的芯片或者又不是那么回事。你覺得Vdsat什么的指標(biāo)實(shí)在不夠精確，仿真器的缺省設(shè)置也不夠滿足你的要求，于是你試著仿真器調(diào)整參數(shù)，或者試著換一換仿真器，但是可它們給出的結(jié)果仍然是有時(shí)準(zhǔn)有時(shí)不準(zhǔn)。你上論壇，希望得到高手的指導(dǎo)。可他們也是語焉不詳，說得東西有時(shí)對有時(shí)不對。這個(gè)階段中，你覺得spice雖然很好，但是幫助手冊寫的太不清楚了。

第四重：你有過比較重大的流片失敗經(jīng)歷了。你知道要做好一個(gè)電路，需要精益求精，需要戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢的仔細(xì)檢查每一個(gè)細(xì)節(jié)。你發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)過程中有很多不曾設(shè)想過的問題，想要做好電路需要完整的把握每一個(gè)方面。于是你開始系統(tǒng)地重新學(xué)習(xí)在大學(xué)畢業(yè)時(shí)已經(jīng)賣掉的課本。你把能能找到的相關(guān)資料都仔細(xì)的看了一邊，希望能從中找到一些更有啟發(fā)性的想法。你已經(jīng)清楚地知道了你需要達(dá)到的電路指標(biāo)和性能，你也知道了電路設(shè)計(jì)本質(zhì)上是需要做很多合理的折中?？赡愀悴磺暹@個(gè)“合理” 是怎么確定的，不同指標(biāo)之間的折中如何選擇才好。你覺得要設(shè)計(jì)出一個(gè)適當(dāng)?shù)哪軌蛘９ぷ鞯碾娐氛娴奶y了，你不相信在這個(gè)世界上有人可以做到他們宣稱的那么好，因?yàn)槁斆魅缒愣加X得面對如此紛雜的選擇束手無策，他們怎么可能做得到？這個(gè)階段中，你覺得spice功能還是太有限了，而且經(jīng)常對著"time step too small"的出錯(cuò)信息發(fā)呆，偶爾情況下你還會創(chuàng)造出巨大的仿真文件讓所有人和電腦崩潰。

第五重：你覺得很多競爭對手的東西不過如此而已。你開始有一套比較熟悉的設(shè)計(jì)方法。但是你不知道如何更加優(yōu)化你手頭的工具。你已經(jīng)使用過一些別人編好的腳本語言，但經(jīng)常碰到很多問題的時(shí)候不能想起來用awk或者perl搞定。你開始大量的占用服務(wù)器的仿真時(shí)間，你相信經(jīng)過大量的仿真，你可以清楚地把你設(shè)計(jì)的模塊調(diào)整到合適的樣子。有時(shí)候你覺得做電路設(shè)計(jì)簡直是太無聊了，實(shí)在不行的話，你在考慮是不是該放棄了。這個(gè)階段中，你覺得spice好是好，但是比起 fast spice系列的仿真器來，還是差遠(yuǎn)了；你開始不相信AC仿真，取而代之的是大量的transient仿真。
第六重：你開始明白在這個(gè)世界中只有最合適的設(shè)計(jì)，沒有最好的設(shè)計(jì)。你開始有一套真正屬于自己的設(shè)計(jì)方法，你會傾向于某一種或兩種仿真工具，并能夠熟練的使用他們評價(jià)你的設(shè)計(jì)。你開始在設(shè)計(jì)中考慮PVT的變化，你知道一個(gè)電路從開始到現(xiàn)在的演化過程，并能夠針對不同的應(yīng)用對他們進(jìn)行裁減。你開始關(guān)注功耗和面積，你tape out的芯片開始有一些能夠滿足產(chǎn)品要求了。但是有時(shí)候你還是不能完全理解一些復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并且犯下一些愚蠢的錯(cuò)誤并導(dǎo)致災(zāi)難性后果。你開始閱讀 JSSC時(shí)不只是挑一兩片文章看看，或許把JSSC作為廁所讀物對你來說是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。在這個(gè)階段中，你覺得spice是一個(gè)很偉大的工具，你知道如何在spice中對精度和速度做合理的仿真，并隨時(shí)做出最合適的選擇。

第七重：你開始真正理解模擬電路設(shè)計(jì)的本質(zhì)，無論對于高精度系統(tǒng)還是高速度系統(tǒng)都有自己獨(dú)有的看法和經(jīng)驗(yàn)。你可以在系統(tǒng)級對不同的模塊指標(biāo)進(jìn)行折中以換取最好的性能。你會了解一個(gè)潛在的市場并開始自己的產(chǎn)品定義，并且你知道只要方法正確，你設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品會具有很好的競爭力。你可以從容的從頭到腳進(jìn)行整個(gè)電路的功能和指標(biāo)劃分，你了解里面的每一個(gè)技術(shù)細(xì)節(jié)和他們的折中會對于你的產(chǎn)品有怎樣的影響。你開始關(guān)注設(shè)計(jì)的可靠性。在這個(gè)階段中，你覺得spice是一個(gè)很實(shí)用的工具，并喜歡上了蒙特卡洛仿真，但你還是經(jīng)常抱怨服務(wù)器太慢，雖然你經(jīng)常是在后半夜運(yùn)行仿真。
第八重：這個(gè)時(shí)候成功的做出一個(gè)芯片對你來說是家常便飯，就象一名駕駛老手開車一樣，遇到紅燈就停、綠燈就行。一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)對于你來說幾乎都是無意識的。你不需要再對著仿真結(jié)果不停的調(diào)整參數(shù)和優(yōu)化，更多時(shí)候之需要很少量的仿真就可以結(jié)束一個(gè)模塊的設(shè)計(jì)了。你能夠清楚地感覺到某一個(gè)指標(biāo)的電路模塊在技術(shù)上是可能的還是不可能的。你完全不用關(guān)心具體模塊的噪聲系數(shù)或者信噪比或者失真度。你只需要知道它是可以被設(shè)計(jì)出來就可以了，更詳細(xì)的技術(shù)指標(biāo)對你來說毫無意義。你開始覺得JSSC上的東西其實(shí)都是在湊數(shù)，有時(shí)候認(rèn)為JSSC即使作為廁紙也不合格(太薄太脆)。你覺得spice偶爾用用挺好的，但是實(shí)在是不可靠，很多的時(shí)候看看工作點(diǎn)就差不多夠了。

第九重：這時(shí)候的你對很多電路已經(jīng)料如指掌，你可以提前預(yù)知很多技術(shù)下一輪的發(fā)展方向。一年你只跑上幾次仿真，也可能一仿真就是幾年。你很少有畫電路圖的時(shí)候，多數(shù)時(shí)間你在打高爾夫或是在太平洋的某個(gè)小島釣魚。除了偶爾在ISSCC上湊湊熱鬧，你從不和別人說起電路方面的事，因?yàn)槟阒罌]人能明白。