使用模擬工具簡化電路設(shè)計

我和同事在旅館酒吧閑聊了一天。之前，我們已經(jīng)會見了幾位客戶。我們都在思考著一個問題：我們會見的這些工程師怎么幾乎一點都不了解模擬技術(shù)呢。我認為，這些應(yīng)屆畢業(yè)生設(shè)計工程師所掌握的模擬技術(shù)知識，與我們畢業(yè)時的前輩所了解的知識不同，僅此而已。我的同事卻說：“如果他們不知道這些原理，而大學(xué)也不教授這些內(nèi)容，那結(jié)果會怎么樣呢？這些新畢業(yè)的工程師注定只能去找他們的前輩拷貝一份模擬設(shè)計原理圖嗎？”

我同事所指的這些原理并非只是運算放大器電路設(shè)計基礎(chǔ)等，而是大學(xué)課堂上沒有深入講解的一些內(nèi)容：非理想組件、電路噪聲原因、誤差預(yù)算和誤差分析。

在設(shè)計周期更短、資源更少、全球競爭更加激烈的情況下，工程師們需要有效利用手邊的各種工具，幫助實現(xiàn)更快速的產(chǎn)品設(shè)計。在設(shè)計過程中，他們需要對所使用的工具充滿信心，相信這些工具能夠指導(dǎo)他們正確地完成設(shè)計工作，因為他們可能并沒有相關(guān)的設(shè)計經(jīng)驗，也可能沒有接受過相關(guān)培訓(xùn)。

這也就是半導(dǎo)體制造廠商經(jīng)常會涉足設(shè)計工具的原因。例如，TI的SwitcherPro便是一種幫助人們進行開關(guān)式電源設(shè)計的程序，而FilterPro則是一種有源濾波器設(shè)計程序。兩者都不是仿真器，而是設(shè)計生成工具。缺乏設(shè)計經(jīng)驗的工程師利用這些工具，可以幫助他們克服缺少經(jīng)驗的難題，而經(jīng)驗豐富的一些工程師使用這些工具則可以節(jié)省大量的時間。

20多年前，這些設(shè)計生成工具才開始為人們所用?；叵氘?dāng)年，我還是一個“菜鳥”工程師時，我的設(shè)計生成相關(guān)知識是從教科書 ，Burr-Brown系列模擬手冊（現(xiàn)已絕版多年）或者我所推崇的《現(xiàn)代電子電路參考手冊》（一本3英寸厚的世界電子出版物電路摘要，有時稱作電路“設(shè)計手冊”）那里了解到的。

模擬領(lǐng)域是如此的廣闊，以至于很少有人能夠熟悉其所有分支，因此學(xué)習(xí)前人的電路是必要的，前提是只要你掌握了電路分析的基礎(chǔ)知識。

半導(dǎo)體制造廠商也會提供一些參考設(shè)計。這些設(shè)計已遠非基礎(chǔ)電路，它們包括了完整的材料清單和印刷電路板(PCB)布局，可能還包含了讓整個設(shè)計運行所需的固件或者軟件。毫無疑問，利用這些參考設(shè)計或者設(shè)計指導(dǎo)電路，可以讓你更快速地開始設(shè)計工作。

自20世紀70年代早期以來，SPICE一直都是電路設(shè)計人員工具箱中一種強大的工具。特別是對于集成電路的開發(fā)更是如此，因為制造樣機的成本奇高無比，在轉(zhuǎn)入生產(chǎn)以前對電路的行為進行模擬是電路設(shè)計中的一個巨大進步。

它是如此的普遍，以至于大多數(shù)電子元器件制造廠商都會提供其器件的SPICE宏模型，以幫助電路板級設(shè)計人員在PCB投入制造以前對其電路進行模擬。從SPICE模型發(fā)展而來的IBIS模型和軟件，可以讓PCB設(shè)計人員對其PCB設(shè)計的信號完整性進行驗證。

在這兩種情況下，要注意說的是電路“仿真”還是“驗證”。這些工具可以幫助你預(yù)測你已經(jīng)設(shè)計好的電路運行情況，但它們卻無法幫助你設(shè)計電路。盡管工程師仍然不得不自己對電路進行設(shè)計，但仿真器卻可以告訴他們?nèi)绾卧O(shè)計。

TI提供一種被稱作TINA-TI的免費SPICE仿真器。如何最有效地使用這種程序呢，因為使用仿真器的經(jīng)驗并不一致，從專家到新手，各種層次都有。當(dāng)TINA-TI沒有告知他們其電源反向連接運算放大器時，一些工程師會變得無所適從—仿真器會不知道嗎？答案是否定的，仿真器不知道那樣做是錯誤的，也不知道那樣做會讓你的PCB組件冒煙。

SPICE只不過是執(zhí)行電路分析所需數(shù)學(xué)運算的一個計算機程序而已，其運算速度通常要比你用鉛筆和紙更快。“通常”是因為，SPICE非常擅長于某些事情，如：線性電路，同時有些事情卻并不擅長，如：一些現(xiàn)代電源中都會有的開關(guān)電路。使用相當(dāng)長的時間來模擬開關(guān)式電源有一個問題：需要對已經(jīng)編寫好的模擬程序進行優(yōu)化，用以對這些電源電路進行模擬。

其它專用仿真器用于解決RF電路問題。“仿真”涉及的應(yīng)用極為寬泛，因此一種模擬解決方案可能并非一個完整系統(tǒng)模擬的最佳選擇。

盡管模擬有許多好處，在完成徹底誤差分析以前，電路或者系統(tǒng)設(shè)計均不完整。這需要考慮組件和環(huán)境的所有非理想特性，并確定它們對電路運行的影響情況。我們一般使用電子表格或者手動計算方法來完成這項工作。將分析結(jié)果同要求比較，讓你相信所設(shè)計的電路在所有工作狀態(tài)和制造條件下均能夠滿足這些要求；或者，它會告訴你需要嘗試使用其它方法。

把所有這些不同工具—設(shè)計生成、模擬（可能使用幾種不同的模擬引擎）和誤差分析—組合到一起成為一種工具，便形成了一個“專家系統(tǒng)”。只需使用電路的基本要求，這種系統(tǒng)便可以構(gòu)成或者建議一個電路或者系統(tǒng)設(shè)計，然后允許對電路進行模擬，并能通過改變電路組件值來對其進行優(yōu)化。最后，電路誤差分析結(jié)束以后，便完成了對電路滿足各種要求的完整適用性評估。

現(xiàn)在，這種系統(tǒng)開發(fā)方法正變成一種現(xiàn)實。在混頻信號IC設(shè)計領(lǐng)域，大型CAD供應(yīng)商已經(jīng)在致力于這方面，以期縮短模擬時間。一些供應(yīng)商將現(xiàn)有工具或者數(shù)學(xué)建模系統(tǒng)組合到一起，在更高層次嘗試這種設(shè)計方法。但是，把這些專家系統(tǒng)帶給電路板級和系統(tǒng)級設(shè)計人員的，可能會是半導(dǎo)體供應(yīng)商及其應(yīng)用工程師們。

德州儀器收購國家半導(dǎo)體公司最令人激動的是，我們終于能夠一睹WEBENCH Designer工具套件的真容，它在許多方面都是我所描述的這種專家系統(tǒng)。它可以動態(tài)生成特定要求的電路，計算組件值，進行模擬（基于數(shù)學(xué)模型和SPICE）和優(yōu)化，并執(zhí)行誤差分析。如前所述，在模擬世界需要學(xué)習(xí)的東西如此繁多，真謂“學(xué)無止境”。

此類工具可能會成為電路板級和系統(tǒng)級設(shè)計人員工具箱中的主要工具。“拷貝你父輩的設(shè)計原理圖”沒有什么錯，前提是你擁有運用這些原理圖或者正確理解其底層設(shè)計原理的工具。這些工具應(yīng)能夠指導(dǎo)你如何優(yōu)化電路，來解決你碰到的問題，并能夠讓你知道將這些電路投入生產(chǎn)時會出現(xiàn)什么結(jié)果—并且要能夠足夠快地完成這些工作，這樣你才能在允許的時限內(nèi)嘗試多種不同的方法。盡管還有路要走，但距離我們的目標已經(jīng)不遠了。