使用模擬工具簡化電路設計

我和同事在旅館酒吧閑聊了一天。之前，我們已經會見了幾位客戶。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呢。我認為，這些應屆畢業(yè)生設計工程師所掌握的模擬技術知識，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，而大學也不教授這些內容，那結果會怎么樣呢？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計基礎等，而是大學課堂上沒有深入講解的一些內容：非理想組件、電路噪聲原因、誤差預算和誤差分析。

在設計周期更短、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，幫助實現更快速的產品設計。在設計過程中，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他們正確地完成設計工作，因為他們可能并沒有相關的設計經驗，也可能沒有接受過相關培訓。

這也就是半導體制造廠商經常會涉足設計工具的原因。例如，TI的SwitcherPro便是一種幫助人們進行開關式電源設計的程序，而FilterPro則是一種有源濾波器設計程序。兩者都不是仿真器，而是設計生成工具。缺乏設計經驗的工程師利用這些工具，可以幫助他們克服缺少經驗的難題，而經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，這些設計生成工具才開始為人們所用?；叵氘斈?，我還是一個“菜鳥”工程師時，我的設計生成相關知識是從教科書 ，Burr-Brown系列模擬手冊（現已絕版多年）或者我所推崇的《現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“設計手冊”）那里了解到的。

模擬領域是如此的廣闊，以至于很少有人能夠熟悉其所有分支，因此學習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知識。

半導體制造廠商也會提供一些參考設計。這些設計已遠非基礎電路，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計運行所需的固件或者軟件。毫無疑問，利用這些參考設計或者設計指導電路，可以讓你更快速地開始設計工作。

自20世紀70年代早期以來，SPICE一直都是電路設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，在轉入生產以前對電路的行為進行模擬是電路設計中的一個巨大進步。

它是如此的普遍，以至于大多數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設計人員對其PCB設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測你已經設計好的電路運行情況，但它們卻無法幫助你設計電路。盡管工程師仍然不得不自己對電路進行設計，但仿真器卻可以告訴他們如何設計。

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驗并不一致，從專家到新手，各種層次都有。當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)行電路分析所需數學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：一些現代電源中都會有的開關電路。使用相當長的時間來模擬開關式電源有一個問題：需要對已經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。將分析結果同要求比較，讓你相信所設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)便可以構成或者建議一個電路或者系統(tǒng)設計，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。

現在，這種系統(tǒng)開發(fā)方法正變成一種現實。在混頻信號IC設計領域，大型CAD供應商已經在致力于這方面，以期縮短模擬時間。一些供應商將現有工具或者數學建模系統(tǒng)組合到一起，在更高層次嘗試這種設計方法。但是，把這些專家系統(tǒng)帶給電路板級和系統(tǒng)級設計人員的，可能會是半導體供應商及其應用工程師們。

德州儀器收購國家半導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（基于數學模型和SPICE）和優(yōu)化，并執(zhí)行誤差分析。如前所述，在模擬世界需要學習的東西如此繁多，真謂“學無止境”。

此類工具可能會成為電路板級和系統(tǒng)級設計人員工具箱中的主要工具。“拷貝你父輩的設計原理圖”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計原理的工具。這些工具應能夠指導你如何優(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時會出現什么結果—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不遠了。