模擬芯片，是什么？

　　集成電路 (IC) 自 20 世紀(jì) 50 年代末推出以來(lái)一直統(tǒng)治著電子行業(yè)。所有跡象都表明這些小表示將繼續(xù)主導(dǎo)市場(chǎng)，尤其是模擬 IC 設(shè)計(jì)多年來(lái)變得越來(lái)越重要。

　　盡管如此，當(dāng)大多數(shù)人想到 IC 時(shí)，他們會(huì)想到計(jì)算機(jī)處理器或微控制器等數(shù)字電路。這篇文章應(yīng)該有助于糾正這個(gè)問(wèn)題。我們將回顧模擬 IC 的性質(zhì)，回顧這些電路的一些應(yīng)用領(lǐng)域，最后研究設(shè)計(jì)它們的獨(dú)特要求和挑戰(zhàn)。

　　什么是模擬IC？

　　在我們開(kāi)始討論模擬 IC 設(shè)計(jì)之前，我們需要定義“模擬”。

　　模擬信號(hào)在時(shí)間上是連續(xù)的并且具有無(wú)限范圍的值。自然界中發(fā)現(xiàn)的所有信號(hào)，從聲波到腦電波，都是模擬信號(hào)。另一方面，數(shù)字信號(hào)隨著時(shí)間的推移是離散的，并且在任何給定時(shí)間只能是一定數(shù)量的狀態(tài)之一。圖 1 提供了兩種信號(hào)類(lèi)型的比較。

　　模擬 IC 是產(chǎn)生或放大模擬信號(hào)而不是數(shù)字信號(hào)的集成電路。

　　模擬IC的應(yīng)用

　　現(xiàn)在我們知道什么是模擬 IC，圖 2 顯示了它們的使用領(lǐng)域。

　　如您所見(jiàn)，模擬 IC 具有多種應(yīng)用。讓我們按類(lèi)別來(lái)看看它們。

　　一、控制

　　為了控制電路操作，模擬電路根據(jù)傳感器值創(chuàng)建信號(hào)。模擬電路廣泛使用一種稱(chēng)為反饋的技術(shù)，其中電路輸出值在電路內(nèi)反饋，以根據(jù)其自身值調(diào)整輸出。

　　二、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

　　某些應(yīng)用(例如播放或錄制音頻)需要將數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)相互轉(zhuǎn)換。用于實(shí)現(xiàn)此目的的電路必須包含模擬電路以測(cè)量模擬信號(hào)。

　　假設(shè)您想在手機(jī)上播放一些音樂(lè)。要生成通過(guò)手機(jī)揚(yáng)聲器播放的音頻，代表聲音的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換為實(shí)際的聲波。由于聲波是模擬信號(hào)，這意味著信號(hào)從數(shù)字域切換到模擬域。

　　這是通過(guò)稱(chēng)為數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的電路來(lái)執(zhí)行的。相反，錄制音頻需要將模擬信號(hào)(正在錄制的音頻)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，因此需要使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。DAC 和 ADC 都需要特殊的數(shù)字和模擬電路，以實(shí)現(xiàn)高性能，同時(shí)保持合理的功耗。

　　三、功率

　　所有電路都需要功率調(diào)節(jié)，以確保它們接收正確的電壓和電流以實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行。電源可能會(huì)產(chǎn)生噪音或出現(xiàn)故障，這可能會(huì)妨礙甚至破壞電氣系統(tǒng)。這就是為什么有必要包含電力電子設(shè)備，通過(guò)提供自動(dòng)關(guān)閉和/或與電源隔離等安全功能，防止電路受到損害。

　　這些電源調(diào)節(jié)電路可以將墻壁插座的交流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電。它們還可以執(zhí)行直流到直流轉(zhuǎn)換以產(chǎn)生不同值的電壓。此外，它們還可以利用能量收集將太陽(yáng)能、射頻或輻射能轉(zhuǎn)換為直流電源電壓。

　　四、通信

　　雖然通過(guò)電纜傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常被認(rèn)為是數(shù)字的，但實(shí)際上它本質(zhì)上是模擬的。模擬電路提供了通過(guò)電纜發(fā)送數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)能力，并且具有足夠的電量以便在另一側(cè)可讀。接收端還必須具有傳感放大器，可以從發(fā)送器讀取數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換回滿(mǎn)量程數(shù)字信號(hào)。

　　模擬電路的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用并不限于有線(xiàn)通信——無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸中使用的收發(fā)器包含許多模擬電路。這些功能用于生成和測(cè)量電磁波，使收發(fā)器能夠遠(yuǎn)距離傳輸所需的數(shù)據(jù)，并將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為全量程數(shù)字信號(hào)。

　　五、儀器儀表和物理世界接口

　　為了感知現(xiàn)實(shí)世界的信號(hào)或生成必須與現(xiàn)實(shí)世界交互的信號(hào)，有必要產(chǎn)生連續(xù)時(shí)間的信號(hào)。根據(jù)定義，這意味著使用模擬電路。

　　精密測(cè)試和測(cè)量設(shè)備需要高性能模擬電路，能夠?qū)�傳感器輸出信�?hào)高精度地轉(zhuǎn)換為可讀電壓。這使得電壓可以轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。模擬 IC 用作各種儀器的組件，從檢測(cè)輸入電壓和電流的數(shù)字萬(wàn)用表到檢測(cè)感應(yīng)電容器值變化的加速度計(jì)。

　　六、計(jì)算

　　數(shù)字電路仍然統(tǒng)治著這個(gè)領(lǐng)域，但模擬電路也可以執(zhí)行高效的計(jì)算。具有最高計(jì)算性能的模擬電路是你的大腦，而執(zhí)行模擬計(jì)算的電子電路通常試圖復(fù)制人腦的操作。這是目前研究的一個(gè)大課題。

　　模擬 IC 設(shè)計(jì)要求

　　當(dāng)工程師設(shè)計(jì)數(shù)字電路時(shí)，他們主要關(guān)心兩個(gè)設(shè)計(jì)特性：功耗和處理速度。這兩個(gè)變量通常相互矛盾——設(shè)計(jì)人員必須針對(duì)其特定應(yīng)用在兩者之間找到*平衡。對(duì)于模擬電路設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，還有更多的考慮因素需要考慮，正如我們將在本節(jié)中看到的。

　　圖 3 中的圖表通常稱(chēng)為模擬設(shè)計(jì)八角形，是由加州大學(xué)洛杉磯分校的Behzad Rezavi設(shè)計(jì)，說(shuō)明了模擬設(shè)計(jì)人員在創(chuàng)建規(guī)范或評(píng)估已設(shè)計(jì)電路的性能時(shí)必須考慮的指標(biāo)。

　　由于功耗和速度是模擬電路和數(shù)字電路之間的共享指標(biāo)，因此我們不會(huì)在這里討論它們。然而，我們將檢查設(shè)計(jì)八邊形上的其他點(diǎn)。

　　一、噪音

　　噪聲(無(wú)論是由電路產(chǎn)生的，還是以來(lái)自自然界的無(wú)法消除的不需要的信號(hào)的形式產(chǎn)生的)是模擬電路的一個(gè)大問(wèn)題。模擬電路組件會(huì)產(chǎn)生不可忽略的噪聲值，這些噪聲值會(huì)增加到感興趣的真實(shí)信號(hào)中，從而損害信號(hào)完整性。

　　由于其高速開(kāi)關(guān)，數(shù)字電路可以提供足夠大的噪聲，足以破壞模擬電路信號(hào)輸出。然而，模擬電路的設(shè)計(jì)可以“濾除”不需要的噪聲。設(shè)計(jì)師應(yīng)該注意這一點(diǎn)。

　　二、線(xiàn)性度和增益

　　模擬電路主要由放大器組成，包括我們都知道和喜愛(ài)的運(yùn)算放大器。假設(shè)理想的運(yùn)算放大器具有無(wú)限增益，為了使運(yùn)算放大器的運(yùn)行盡可能接近理想狀態(tài)，放大器增益(輸出與輸入之比)必須*化。

　　同時(shí)，線(xiàn)性度定義為電路的傳遞函數(shù)在整個(gè)工作范圍內(nèi)盡可能保持線(xiàn)性的能力。*線(xiàn)性電路在輸入范圍底部和頂部的工作方式相同。這是理想的，因?yàn)樗�允許簡(jiǎn)單地處理數(shù)據(jù)。如果電路是非線(xiàn)性的，則需要進(jìn)行復(fù)雜的后處理，否則將導(dǎo)致讀取錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。

　　三、電源電壓和電壓擺幅

　　模擬電路設(shè)計(jì)人員還必須確保電源電壓具有足夠的值來(lái)滿(mǎn)足所需的輸出電壓擺幅。該電路還必須能夠感測(cè)并產(chǎn)生規(guī)定級(jí)別的輸入和輸出電壓。電源電壓可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

　　四、輸入/輸出阻抗

　　輸入和輸出阻抗在數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用中尤其重要。通信線(xiàn)路必須具有匹配的阻抗，以*限度地減少反射信號(hào)，否則可能會(huì)破壞傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)。

　　由于必須考慮如此多的指標(biāo)，模擬電路仍然主要是手工創(chuàng)建的。數(shù)字電路設(shè)計(jì)是高度自動(dòng)化的，利用硬件描述語(yǔ)言可以從代碼生成物理電路布局。

　　此外，雖然晶體管尺寸根據(jù)摩爾定律不斷減小，但模擬電路無(wú)法像數(shù)字電路一樣充分利用這些先進(jìn)節(jié)點(diǎn)。今天的數(shù)字電路采用 3 納米工藝制造，并且可能會(huì)變得更小。相比之下，模擬電路目前設(shè)計(jì)在 65 nm 至 28 nm 范圍內(nèi)。

　　晶體管的縮小會(huì)導(dǎo)致高階寄生效應(yīng)，這對(duì)模擬電路來(lái)說(shuō)是一個(gè)困擾，盡管它們不會(huì)極大地影響數(shù)字性能。因此，模擬IC從一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)到另一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)需要更多的時(shí)間。

　　如何設(shè)計(jì)一個(gè)模擬IC

　　模擬 IC 設(shè)計(jì)與數(shù)字 IC 設(shè)計(jì)有很大不同。數(shù)字 IC 設(shè)計(jì)主要在抽象級(jí)別上完成，系統(tǒng)和流程決定門(mén)級(jí)/晶體管級(jí)布局和布線(xiàn)的具體情況，而模擬 IC 設(shè)計(jì)通常涉及對(duì)每個(gè)電路更加個(gè)性化的關(guān)注，甚至每個(gè)晶體管電路的尺寸和具體情況。

　　此外，許多代工工藝主要是為具有模擬功能的數(shù)字 IC 開(kāi)發(fā)的，這要求模擬 IC 設(shè)計(jì)人員考慮更適合數(shù)字 IC 的工藝限制和功能。

　　一、設(shè)計(jì)規(guī)范

　　模擬設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通常從一組規(guī)格和功能開(kāi)始，就像數(shù)字 IC 設(shè)計(jì)一樣。從那里，各種功能的功能模型被用來(lái)進(jìn)一步縮小約束范圍，并導(dǎo)致對(duì)設(shè)備尺寸、類(lèi)型和其他工藝特征的決策。這可能包括晶體管選擇、高級(jí)布局規(guī)劃、電感器和電容器技術(shù)的包含，以及 IC 和子電路所需的品質(zhì)因數(shù)。

　　架構(gòu)硬件描述語(yǔ)言(AHDL)，例如VHDL-AMS，用于執(zhí)行高層仿真并確定子塊的約束。盡管模擬設(shè)計(jì)人員也經(jīng)常為其子電路設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)測(cè)試臺(tái)，但在此階段也可以開(kāi)發(fā)一個(gè)測(cè)試臺(tái)，然后用于仿真。

　　二、子電路設(shè)計(jì)、物理布局和仿真

　　有了這些細(xì)節(jié)并根據(jù)模擬電路的復(fù)雜性，模擬設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通常會(huì)將子電路設(shè)計(jì)分配給個(gè)人。進(jìn)行理想化的宏觀(guān)測(cè)量，進(jìn)一步確定子電路的約束和性能預(yù)期。

　　接下來(lái)，這些宏觀(guān)原理圖被分解為帶有根據(jù)晶圓廠(chǎng)流程建模的電路元件的原理圖。對(duì)這些電路進(jìn)行仿真和優(yōu)化，然后開(kāi)始物理布局過(guò)程。在寄生參數(shù)提取和布局后仿真之前完成布局和布線(xiàn)，然后進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢查 (DRC) 以及布局與原理圖的比較。

　　布局后仿真可能會(huì)揭示設(shè)計(jì)中的缺陷，并且可能需要重新設(shè)計(jì)、布局和仿真的迭代過(guò)程才能滿(mǎn)足最終設(shè)計(jì)目標(biāo)并提交 IC 進(jìn)行流片。在整個(gè)芯片布局和仿真之前，子電路也可能經(jīng)歷自己的設(shè)計(jì)、布局和仿真過(guò)程，盡管任何一種方法都可能導(dǎo)致需要在流片之前重新設(shè)計(jì)電路。

　　以下是模擬 IC 設(shè)計(jì)流程的抽象級(jí)別：功能性、行為的、宏、電路、晶體管和物理布局。

　　與模擬 IC 設(shè)計(jì)相關(guān)的具體步驟可細(xì)分如下：

　　設(shè)計(jì)規(guī)范：規(guī)格、約束條件、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和測(cè)試臺(tái)開(kāi)發(fā)

　　流程示意圖：系統(tǒng)級(jí)原理圖入口、架構(gòu) HDL 模擬、塊 HDL 規(guī)范、電路級(jí)原理圖入口和電路仿真與優(yōu)化

　　物理流：基于PCell的布局輸入、設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(DRC)、布局與原理圖 (LVS)、寄生提取、布局后模擬和流片。

　　寫(xiě)在最后

　　隨著我們周?chē)�最近的進(jìn)步使系統(tǒng)更加強(qiáng)大，自動(dòng)化電子設(shè)備開(kāi)始出現(xiàn)。如果沒(méi)有將物理世界連接到電子設(shè)備的介質(zhì)，這些物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)自動(dòng)化和其他許多應(yīng)用程序就不可能實(shí)現(xiàn)，而電子設(shè)備正是模擬設(shè)計(jì)發(fā)揮作用的地方。

　　此外，如果沒(méi)有可以運(yùn)行軟件應(yīng)用程序的硬件，那么軟件應(yīng)用程序就沒(méi)有任何意義，而硬件本身就在不同領(lǐng)域創(chuàng)造了很多機(jī)會(huì)。還有其他一些觀(guān)點(diǎn)激勵(lì)我們繼續(xù)努力，以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建具有盡可能多功能的盡可能小尺寸的設(shè)備的目標(biāo)。

　　隨著系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，不斷閱讀世界上發(fā)生的最新進(jìn)展并了解最新進(jìn)展(無(wú)論是與工具相關(guān)還是與個(gè)人理解相關(guān))也變得越來(lái)越重要。記住模擬設(shè)計(jì)的基本原理在這里也發(fā)揮著重要作用，這也為復(fù)雜設(shè)計(jì)的思考奠定了基礎(chǔ)。