學習模擬集成電路的九個階段

1、學習模擬集成電路的九個階段模擬集成電路大師與大家分享經(jīng)驗：一段你剛開始進入這行，對 PMOS/NMOS/BJT什么的只不過有個大 概的了解，各種器件的特性你也不太清楚，具體設計成什么樣的電路 你也沒什么主意，你的電路圖主要看國內雜志上的文章，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，做點差分運放，或者帶隙基準的仿真什么的你就計算 著發(fā)文章，生怕到時候論文湊不夠?？偟膩碚f，基本上看見運放還是 發(fā)怵。你覺得spice是一個非常難以使用而且古怪的東西。二段你開始知道什么叫電路設計，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 參數(shù)，Vdsa

2、t、lamda、early voltage、GWB、ft 之類的。總覺得有時 候電路和手算得差不多，有時候又覺得差別挺大。你也開始關心電壓， 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?高精度的什么東東，時不時也來上兩句。你設計電路時開始計劃著要 去tape out，雖然tape out看起來還是挺遙遠的。這個階段中，你覺 得spice很強大，但經(jīng)常會因為 AC仿真結果不對而大傷腦筋。三段你已經(jīng)和PVT斗爭了一段時間了，但總的來說基本上還是沒有幾次成功的設計經(jīng)驗。 你覺得要設計出真 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

3、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 指標實在不夠精確，仿真器的缺省設置也不夠滿足你的要求， 于是你 試著仿真器調整參數(shù)，或者試著換一換仿真器，但是可它們給出的結 果仍然是有時準有時不準。你上論壇，希望得到高手的指導?？伤麄?也是語焉不詳，說得東西有時對有時不對。這個階段中，你覺得spice 雖然很好，但是幫助手冊寫的太不清楚了。四段你有過比較重大的流片失敗經(jīng)歷了。你知道要做好一個電路，需要精益求精，需要戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢的仔細檢查每 一個細節(jié)。你發(fā)現(xiàn)在設計過程中有很多不曾設想過的問題， 想要做好 電路需要完整的把握每一個方面。于是你開始系統(tǒng)

4、地重新學習在大學 畢業(yè)時已經(jīng)賣掉的課本。你把能能找到的相關資料都仔細的看了一邊， 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 達到的電路指標和性能，你也知道了電路設計本質上是需要做很多合 理的折中。可你搞不清這個 合理”是怎么確定的，不同指標之間的折 中如何選擇才好。你覺得要設計出一個適當?shù)哪軌蛘９ぷ鞯碾娐氛?的太難了，你不相信在這個世界上有人可以做到他們宣稱的那么好， 因為聰明如你都覺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&quo

5、t;的出錯信息發(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。五段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計方法。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 問題的時候不能想起來用awk或者perl搞定。你開始大量的占用服 務器的仿真時間，你相信經(jīng)過大量的仿真，你可以清楚地把你設計的 模塊調整到合適的樣子。有時候你覺得做電路設計簡直是太無聊了， 實在不行的話，你在考慮是不是該放棄了。這個階段中，你覺得spice 好是好，但是比起fast spice系列的仿真器來，還是差遠了；你開始 不相信AC仿真，取而代之的

6、是大量的transient仿真。六段你開始明白在這個世界中只有最合適的設計，沒有最好的設計。 你開始有一套真正屬于自己的設計方法，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你的設計。你開始在設計中考慮PVT的變化，你知道一個電路從開始到現(xiàn)在的演化過程，并能夠針 對不同的應用對他們進行裁減。你開始關注功耗和面積，你tape out的芯片開始有一些能夠滿足產(chǎn)品要求了。 但是有時候你還是不能完全 理解一些復雜系統(tǒng)的設計方法，并且犯下一些愚蠢的錯誤并導致災難 性后果。你開始閱讀 JSSC時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不錯的選擇。在這個階段中，你 覺

7、得spice是一個很偉大的工具，你知道如何在 spice中對精度和速 度做合理的仿真，并隨時做出最合適的選擇。七段你開始真正理解模擬電路設計的本質，無論對于高精度系統(tǒng)還是高速度系統(tǒng)都有自己獨有的看法和經(jīng)驗。你可以在系統(tǒng)級對不同的模塊指標進行折中以換取最好的性能。你會了解一個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， 你設計出的產(chǎn)品會具有很好的競爭力。你可以從容的從頭到腳進行整 個電路的功能和指標劃分，你了解里面的每一個技術細節(jié)和他們的折 中會對于你的產(chǎn)品有怎樣的影響。 你開始關注設計的可靠性。在這個 階段中，你覺得spice是一個很實用的工具，并喜歡上了蒙特卡洛仿 真，但你還是

8、經(jīng)常抱怨服務器太慢，雖然你經(jīng)常是在后半夜運行仿真。八段這個時候成功的做出一個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。一個產(chǎn)品 的設計對于你來說幾乎都是無意識的。你不需要再對著仿真結果不停 的調整參數(shù)和優(yōu)化，更多時候之需要很少量的仿真就可以結束一個模 塊的設計了。你能夠清楚地感覺到某一個指標的電路模塊在技術上是 可能的還是不可能的。你完全不用關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計出來就可以了， 更詳細 的技術指標對你來說毫無意義。你開始覺得JSSC上的東西其實都是 在湊數(shù)，有時候認為JSSC即使作為廁紙也不合格（太薄太脆）。你覺

9、 得spice偶爾用用挺好的，但是實在是不可靠，很多的時候看看工作 點就差不多夠了。九段這時候的你對很多電路已經(jīng)料如指掌，你可以提前預知很多技術下一輪的發(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候，多數(shù)時間你在打 高爾夫或是在太平洋的某個小島釣魚。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，因為你知道沒人能明白。從復旦攻讀微電子專業(yè)模擬芯片設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外專家的指點。 最近，應朋友之邀，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，后來陰差陽錯進了復

10、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。 現(xiàn)在想來這個實驗室名字 大有深意，只是當時惘然。電路和系統(tǒng)，看上去是兩個概念，兩個層次。我同學有讀電子學與信息系統(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”設計的，自然要偏向電路。而模 擬芯片設計初學者對奇思*巧的電路總是很崇拜，尤其是這個領域的 最權威的雜志 JSSC （IEEE Journal of solid state circuits ）， 以前 非常喜歡看，當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)

11、秀了。讀研時，我導師 是鄭增鈺教授，李聯(lián)老師當時已經(jīng)退休，逸夫樓邀請李老師每個禮拜 過來指導。鄭老師治學嚴謹，女中豪杰。李老師在模擬電路方面屬于 國內先驅人物，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，所以很要好，我自然相對于我同學能夠幸運地得 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 器學起。所以我記得我剛開始從小電流源開始設計。那時候感覺設計就是靠仿真調整參數(shù)。但是我卻永遠記住了李老師語重心長的話：運放是基礎，運放設計弄好了，其他的也就容易了。當時不大理解，我同學的課題都是 AD/

12、DA，鎖相環(huán)等 髙端”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）（國內的垃圾雜志）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?？偟膩碚f，在復旦，我感觸最深的就是鄭老師的嚴謹治學之風和李老 師

13、的這句話。碩士畢業(yè)，去找工作，當時有幾個offer。我?guī)熜謱O立平，李老師的關門弟子，推薦我去新濤科技，他說里面有個常仲元， 魯汶天主教大學博士，很厲害。我聽從師兄建議就去了。新濤當時已 經(jīng)被IDT以8500萬美金收購了，成為國內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 StateUniversity 的博士，鎖相環(huán)專家。面試時他 當時要我畫了一個兩級放大器帶 Miller補償?shù)?，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

14、阻，他自己命名為楊氏電阻。當時出于禮貌，不斷點頭。不過他們還是很滿意，反正就這樣進去了。我呢，面試的惟一的遺憾是沒見到常仲元， 概他出差了。進入新濤后，下了決心準備術業(yè)有專攻。因為本科和研究生時喜歡物理，數(shù)學和哲學，花了些精力在這些上面。 工作后就得真刀真*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，應該來說，我還是做 得很出色的，因此得到常總的賞識，被他評價為公司內最有potential 的人。偶爾?？倳^來指點一把，別人很羨慕。其實我就記住了?？傆写瘟?天時給我講的心得，他大意是說

15、做模擬電路設計有三個境界：第一是會手算，意思是說pensile-to-paper，電路其實應該手算的，仿真 只是證明手算的結果。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行的。Razavi 的那本書后面的習題我仔細算了。 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，一個保護回路 AC仿真總不穩(wěn)定， 調來調去，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

16、子摸象。?？傄贿^來三下五除二就擺平了，他仔細看了，然后就導出個公式，找出了主極點和帶寬表達式。通過這件事，我對?？偱宸?得五體投地，同時也知道直觀的威力。所以后來看書時，都會仔細 推導書中的公式，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，感覺學通了，通之后發(fā)現(xiàn)一通百通。最后總結：放大器有兩個難點，一個是頻率響應，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。學通一個領域后再學其他相關領域會有 某種 加速”乍用。?？偟姆绞绞敲看巫鲆粋€

17、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90

18、0多頁，和N多paper， 一下子對整個濾波器領域，開關電容 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，基礎很重要，基礎扎實學其他的很容易切 入，并且越學越快。我是02年11月去的COMMIT，當時面試我 的也是我現(xiàn)在公司老板Julian。Julian問我：你覺得SOC (system on chip)設計的環(huán)節(jié)在哪兒？我說：應該是模擬電路吧，這個比較難一些。Julian說錯了，是系統(tǒng)。我當時很不以為然，覺得模擬電路工程師應該花精力在分析和設計電路上。 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