模擬電路設計經(jīng)驗總結(jié)

模擬電路的設計是工程師們最頭疼、但也是最致命的設計部分，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射頻電路的設計！這里將模擬電路設計中應該注意的問題總結(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。（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）進行保護。（5）使用EMC濾波器，并且與IC相關的濾波器都應該和本地的0V參考平面連接。（6）在外部電纜的連接處應該放置輸入輸出濾波器，任何在沒有屏蔽系統(tǒng)內(nèi)部的導線連接處都需要濾波，因為存在天線效應。另外，在具有數(shù)字信號處理或開關模式的變換器的屏蔽系統(tǒng)內(nèi)部的導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該使用RC或LC濾波。電源濾波器的拐角頻率應該對器件的PSRR拐角頻率和斜率進行補償，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，傳輸線技術是必需的。即使是低頻信號，使用傳輸線技術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。（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）技術將具有很好的EMC效果，而且可以減少串擾。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行屏蔽。注意，要保證其散熱條。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(nèi)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淫巧的電路總是很崇拜，尤其是這個領域的最權威的雜志JSSC（IEEEJournalofsolidstatecircuits），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(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(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(diào)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/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)（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(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OregonStateUniversity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，大概他出差了。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(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?？傆写瘟奶鞎r給我講的心得，他大意是說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(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(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?。因為這個回路很大，所以感覺是瞎子摸象。?？傄贿^來三下五除二就擺平了，他仔細看了，然后就導出一個公式，找出了主極點和帶寬表達式。通過這件事，我對常總佩服得五體投地，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(jié)：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”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，常總大加贊賞！。后來在COMMIT時，有個項目是修改一個RFTransceiver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域，開關電容的，GmC的，ActiveRC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，Conferencecall時，他們首先說這份報告是“Greatjob!”，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(systemonchip)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。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。芯片設計最終一定要走向系統(tǒng)，這個是芯片設計的第四重境界。電路如同磚瓦，系統(tǒng)如同大廈。芯片設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，從定義到設計，再到debug，芯片測試和系統(tǒng)測試，最后到RTP(releasetoproducti