模擬IC設(shè)計，必須掌握這四個部分

眾所周知，模擬電路難學(xué)，以最普遍的晶體管來說，我們分析它的時候必須首先分析直流偏置，其次在分析交流輸出電壓。可以說，確定工作點就是一項相當(dāng)麻煩的工作(實際中來說)，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，我們會發(fā)現(xiàn)：幾乎所有的電子技術(shù)都離不開放大技術(shù)。即使是數(shù)字芯片內(nèi)部，其基本單元都是互補型源極接地放大電路。模擬電子技術(shù)的重要性時不我待。

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

(1)晶體管元件的設(shè)計

它是指半導(dǎo)體工程學(xué)方面的知識，任何設(shè)計的IC芯片都將最終回歸于它，一般都是從薛定諤波動方程式開始引出的(比較復(fù)雜)，但與實際具體設(shè)計電路直接聯(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

要從事模擬電路設(shè)計事實上必須掌握晶體管電路的基本知識，推薦一邊學(xué)習(xí)一邊實驗、仿真，PSPICE之類的都可以，通一個就行，同時要注意多想多動手。時間長了自然能掌握晶體管電路的設(shè)計技術(shù)，這里面的學(xué)習(xí)，我們就開始掌握經(jīng)驗。晶體管、FET是構(gòu)建整個電路的基礎(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

功能模塊主要以各種各樣的運放為基礎(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)計工程中都會將元器件適當(dāng)?shù)睦硐牖?。這部分的學(xué)習(xí)是十分重要的。一般都是從這里開始學(xué)習(xí)模擬電路，這部分相對來說比較易懂，也是模擬電路學(xué)習(xí)的切入點。

(4)系統(tǒng)設(shè)計

這部分就需要相當(dāng)?shù)母叨龋枰獞]方方面面。

其實，說實在的，真正做過一兩塊片子就差不多能通大半部分。 關(guān)鍵是試驗、動手。

模擬電路的境界

復(fù)旦攻讀微電子專業(yè)模擬芯片設(shè)計方向研究生開始到現(xiàn)在五年工作經(jīng)驗，已經(jīng)整整八年了，其間聆聽過很多國內(nèi)外專家的指點。最近，應(yīng)朋友之邀，寫一點心得體會和大家共享。

我記得本科剛畢業(yè)時，由于本人打算研究傳感器的，后來陰差陽錯進(jìn)了復(fù)旦逸夫樓專用集成電路與系統(tǒng)國家重點實驗室做研究生?，F(xiàn)在想來這個實驗室名字大有深意，只是當(dāng)時惘然。

電路和系統(tǒng)，看上去是兩個概念， 兩個層次。 我同學(xué)有讀電子學(xué)與信息系統(tǒng)方向研究生的，那時候知道他們是“系統(tǒng)”的，而我們呢，是做模擬“電路”設(shè)計的，自然要偏向電路。而模擬芯片設(shè)計初學(xué)者對奇思淫巧的電路總是很崇拜，尤其是這個領(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)時立志看完近二十年的文章，打通奇經(jīng)八脈，總是憧憬啥時候咱也灌水一篇， 那時候國內(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。

讀研時，我導(dǎo)師是鄭增鈺教授，李聯(lián)老師當(dāng)時已經(jīng)退休，逸夫樓邀請李老師每個禮拜過來指導(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(運算放大器設(shè)計);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)能夠幸運地得到李老師的指點。

李老師和鄭老師給我的培養(yǎng)方案是：先從運算放大器學(xué)起。所以我記得我剛開始從小電流源開始設(shè)計。那時候感覺設(shè)計就是靠仿真調(diào)整參數(shù)。但是我卻永遠(yuǎn)記住了李老師語重心長的話：運放是基礎(chǔ)，運放設(shè)計弄好了，其他的也就容易了。當(dāng)時不大理解，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運放方面的文章，基本上近20多年的全看了。

當(dāng)時以為很懂這個了，后來工作后才發(fā)現(xiàn)其實還沒懂。 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。但是運算放大器是模擬電路的基石，只有根基扎實方能枝繁葉茂，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)時有幾個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。面試時他當(dāng)時要我畫了一個兩級放大器帶Miller補償?shù)模?我很熟練。他說你面有個零點，我很奇怪，從沒聽過，云里霧里，后來才知道這個是Howard在國際上首先提出來的， 等效模型中有個電阻，他自己命名為楊氏電阻。 當(dāng)時出于禮貌，不斷點頭。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。因為本科和研究生時喜歡物理，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。感覺大有收獲。那時候在新濤，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，被他評價為公司內(nèi)最有potential的人。偶爾?？倳^來指點一把，別人很羨慕。其實我就記住了常總有次聊天時給我講的心得， 他大意是說做模擬電路設(shè)計有三個境界：第一是會手算，意思是說pensile-to-paper， 電路其實應(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)，都是首先計算再和仿真結(jié)果對比。久而久之，我手計算的能力大大提高，一些小信號分析計算，感覺非常順手。這里講一個小插曲，有一次在一個項目中，一個保護(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?？偭恕Ｒ驗檫@個回路很大，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)出一個公式，找出了主極點和帶寬表達(dá)式。通過這件事，我對?？偱宸梦弩w投地， 同時也知道直觀的威力。所以后來看書時，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)：放大器有兩個難點，一個是頻率響應(yīng)，一個是反饋。

其實所謂電路直觀，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€新項目時，讓下面人先研究研究。我在離開新濤前，做了一個鎖相環(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，研究了一個半月，?？傔^來問我：鎖相環(huán)的3dB帶寬弄懂了吧? 我笑答：早就弄懂了。

我強大的運放的頻率響應(yīng)知識用在鎖相環(huán)上，小菜了。我這時已經(jīng)去研究高深的相位噪聲和jitter了。之后不久，一份30多頁的英文研究報告發(fā)出來，?？偞蠹淤澷p!。 后來在COMMIT時，有個項目是修改一個RF Transceiver芯片， 使之從WCDMA到TD-SCDMA。里面有個基帶模擬濾波器。我以前從沒接觸過濾波器，就花了兩個月時間，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， 由于我運放根基扎實，看文章時對于濾波器信號流很容易懂，所以很短時間就能一個人提出芯片電路原理分析和修改方案。最后報告寫出來(也是我的又一個得意之作)，送給TI. TI那邊對這邊一下子肅然起敬，Conference call時， 他們首先說這份報告是“Great job!”，我英文沒聽懂，Julian對我夸大拇指，說“他們對你評價很高呢”。后來去Dallas， TI那邊對我們很尊敬， 我做報告時，很多人來聽?？傊?，現(xiàn)在知道，凡事情，基礎(chǔ)很重要，基礎(chǔ)扎實學(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)計的環(huán)節(jié)在哪兒? 我說：應(yīng)該是模擬電路吧，這個比較難一些。Julian說錯了，是系統(tǒng)。我當(dāng)時很不以為然， 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， 同時也從TI拉了兩個，有一個是方博士。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***里面的頂級高手， 做產(chǎn)品能力超強。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)計最終一定要走向系統(tǒng)， 這個是芯片設(shè)計的第四重境界。電路如同磚瓦，系統(tǒng)如同大廈。芯片設(shè)計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，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。

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

模擬電路設(shè)計經(jīng)驗總結(jié)

模擬電路的設(shè)計是工程師們最頭疼、但也是最致命的設(shè)計部分，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)計仍是不可避免的，有時也是數(shù)字電路無法取代的，例如 RF射頻電路的設(shè)計!這里將模擬電路設(shè)計中應(yīng)該注意的問題總結(jié)如下，有些純屬經(jīng)驗之談，還望大家多多補充、多多批評指正!。。。

(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)外面使用一個小電阻或扼流圈給容性負(fù)載提供一個緩沖。

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

(3)在反饋環(huán)外不要使用主動電路進(jìn)行濾波或控制 EMC 的 RF 帶寬，而只能使用被動元件(最好為 RC 電路)。僅僅在運放的開環(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)為了獲得一個穩(wěn)定的線性電路，所有連接必須使用被動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，任何在沒有屏蔽系統(tǒng)內(nèi)部的導(dǎo)線連接處都需要濾波，因為存在天線效應(yīng)。另外，在具有數(shù)字信號處理或開關(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，這一點與數(shù)字 IC 一樣。但是模擬 IC 通常需要低頻的電源去耦，因為模擬元件的電源噪聲抑制比(PSRR)在高于 1KHz 后增加很少。在每個運放、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)該對器件的 PSRR拐角頻率和斜率進(jìn)行補償，從而在整個工作頻率范圍內(nèi)獲得所期望的 PSRR 。

(8)對于高速模擬信號，根據(jù)其連接長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，使用傳輸線技術(shù)也可以改善其抗干擾性，但是沒有正確匹配的傳輸線將會產(chǎn)生天線效應(yīng)。

(9)避免使用高阻抗的輸入或輸出，它們對于電場是非常敏感的。

(10)由于大部分的輻射是由共模電壓和電流產(chǎn)生的，并且因為大部分環(huán)境的電磁干擾都是共模問題產(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)動不會使用 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)，以防止因為噪聲和干擾而產(chǎn)生的錯誤的輸出變換，也可以防止在斷路點產(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 本身對射頻場特別敏感，因此常常需要使用一個安裝在 PCB 上，并且與 PCB 的地平面相連接的小金屬屏蔽盒，對這樣的模擬元件進(jìn)行屏蔽。注意，要保證其散熱條件。