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，尤其是模擬 IC 設(shè)計多年來變得越來越重要。

　　盡管如此，當(dāng)大多數(shù)人想到 IC 時，他們會想到計算機(jī)處理器或微控制器等數(shù)字電路。這篇文章應(yīng)該有助于糾正這個問題。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)計它們的獨特要求和挑戰(zhàn)。

　　什么是模擬IC？

　　在我們開始討論模擬 IC 設(shè)計之前，我們需要定義“模擬”。

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

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

　　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，模擬 IC 具有多種應(yīng)用。讓我們按類別來看看它們。

　　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。模擬電路廣泛使用一種稱為反饋的技術(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)字信號與模擬信號相互轉(zhuǎn)換。用于實現(xiàn)此目的的電路必須包含模擬電路以測量模擬信號。

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

　　這是通過稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的電路來執(zhí)行的。相反，錄制音頻需要將模擬信號(正在錄制的音頻)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，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，以實現(xiàn)高性能，同時保持合理的功耗。

　　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現(xiàn)正常運行。電源可能會產(chǎn)生噪音或出現(xiàn)故障，這可能會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，通過提供自動關(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能、射頻或輻射能轉(zhuǎn)換為直流電源電壓。

　　四、通信

　　雖然通過電纜傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常被認(rèn)為是數(shù)字的，但實際上它本質(zhì)上是模擬的。模擬電路提供了通過電纜發(fā)送數(shù)據(jù)的驅(qū)動能力，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)換回滿量程數(shù)字信號。

　　模擬電路的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用并不限于有線通信——無線數(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)，并將射頻信號轉(zhuǎn)換為全量程數(shù)字信號。

　　五、儀器儀表和物理世界接口

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

　　精密測試和測量設(shè)備需要高性能模擬電路，能夠?qū)�傳感器輸出信號高精度地轉(zhuǎn)換為可讀電壓。這使得電壓可以轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。模擬 IC 用作各種儀器的組件，從檢測輸入電壓和電流的數(shù)字萬用表到檢測感應(yīng)電容器值變化的加速度計。

　　六、計算

　　數(shù)字電路仍然統(tǒng)治著這個領(lǐng)域，但模擬電路也可以執(zhí)行高效的計算。具有最高計算性能的模擬電路是你的大腦，而執(zhí)行模擬計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大課題。

　　模擬 IC 設(shè)計要求

　　當(dāng)工程師設(shè)計數(shù)字電路時，他們主要關(guān)心兩個設(shè)計特性：功耗和處理速度。這兩個變量通常相互矛盾——設(shè)計人員必須針對其特定應(yīng)用在兩者之間找到*平衡。對于模擬電路設(shè)計人員來說，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 中的圖表通常稱為模擬設(shè)計八角形，是由加州大學(xué)洛杉磯分校的Behzad Rezavi設(shè)計，說明了模擬設(shè)計人員在創(chuàng)建規(guī)范或評估已設(shè)計電路的性能時必須考慮的指標(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)，因此我們不會在這里討論它們。然而，我們將檢查設(shè)計八邊形上的其他點。

　　一、噪音

　　噪聲(無論是由電路產(chǎn)生的，還是以來自自然界的無法消除的不需要的信號的形式產(chǎn)生的)是模擬電路的一個大問題。模擬電路組件會產(chǎn)生不可忽略的噪聲值，這些噪聲值會增加到感興趣的真實信號中，從而損害信號完整性。

　　由于其高速開關(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輸出。然而，模擬電路的設(shè)計可以“濾除”不需要的噪聲。設(shè)計師應(yīng)該注意這一點。

　　二、線性度和增益

　　模擬電路主要由放大器組成，包括我們都知道和喜愛的運算放大器。假設(shè)理想的運算放大器具有無限增益，為了使運算放大器的運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，線性度定義為電路的傳遞函數(shù)在整個工作范圍內(nèi)盡可能保持線性的能力。*線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，因為它允許簡單地處理數(shù)據(jù)。如果電路是非線性的，則需要進(jìn)行復(fù)雜的后處理，否則將導(dǎo)致讀取錯誤的數(shù)據(jù)。

　　三、電源電壓和電壓擺幅

　　模擬電路設(shè)計人員還必須確保電源電壓具有足夠的值來滿足所需的輸出電壓擺幅。該電路還必須能夠感測并產(chǎn)生規(guī)定級別的輸入和輸出電壓。電源電壓可以實現(xiàn)這一點。

　　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。通信線路必須具有匹配的阻抗，以*限度地減少反射信號，否則可能會破壞傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號。

　　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)計是高度自動化的，利用硬件描述語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，但模擬電路無法像數(shù)字電路一樣充分利用這些先進(jìn)節(jié)點。今天的數(shù)字電路采用 3 納米工藝制造，并且可能會變得更小。相比之下，模擬電路目前設(shè)計在 65 nm 至 28 nm 范圍內(nèi)。

　　晶體管的縮小會導(dǎo)致高階寄生效應(yīng)，這對模擬電路來說是一個困擾，盡管它們不會極大地影響數(shù)字性能。因此，模擬IC從一個技術(shù)節(jié)點到另一個技術(shù)節(jié)點需要更多的時間。

　　如何設(shè)計一個模擬IC

　　模擬 IC 設(shè)計與數(shù)字 IC 設(shè)計有很大不同。數(shù)字 IC 設(shè)計主要在抽象級別上完成，系統(tǒng)和流程決定門級/晶體管級布局和布線的具體情況，而模擬 IC 設(shè)計通常涉及對每個電路更加個性化的關(guān)注，甚至每個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 開發(fā)的，這要求模擬 IC 設(shè)計人員考慮更適合數(shù)字 IC 的工藝限制和功能。

　　一、設(shè)計規(guī)范

　　模擬設(shè)計團(tuán)隊通常從一組規(guī)格和功能開始，就像數(shù)字 IC 設(shè)計一樣。從那里，各種功能的功能模型被用來進(jìn)一步縮小約束范圍，并導(dǎo)致對設(shè)備尺寸、類型和其他工藝特征的決策。這可能包括晶體管選擇、高級布局規(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)計人員也經(jīng)常為其子電路設(shè)計開發(fā)測試臺，但在此階段也可以開發(fā)一個測試臺，然后用于仿真。

　　二、子電路設(shè)計、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)計團(tuán)隊通常會將子電路設(shè)計分配給個人。進(jìn)行理想化的宏觀測量，進(jìn)一步確定子電路的約束和性能預(yù)期。

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

　　布局后仿真可能會揭示設(shè)計中的缺陷，并且可能需要重新設(shè)計、布局和仿真的迭代過程才能滿足最終設(shè)計目標(biāo)并提交 IC 進(jìn)行流片。在整個芯片布局和仿真之前，子電路也可能經(jīng)歷自己的設(shè)計、布局和仿真過程，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)計電路。

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

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

　　設(shè)計規(guī)范：規(guī)格、約束條件、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和測試臺開發(fā)

　　流程示意圖：系統(tǒng)級原理圖入口、架構(gòu) HDL 模擬、塊 HDL 規(guī)范、電路級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。

　　寫在最后

　　隨著我們周圍最近的進(jìn)步使系統(tǒng)更加強(qiáng)大，自動化電子設(shè)備開始出現(xiàn)。如果沒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)自動化和其他許多應(yīng)用程序就不可能實現(xiàn)，而電子設(shè)備正是模擬設(shè)計發(fā)揮作用的地方。

　　此外，如果沒有可以運行軟件應(yīng)用程序的硬件，那么軟件應(yīng)用程序就沒有任何意義，而硬件本身就在不同領(lǐng)域創(chuàng)造了很多機(jī)會。還有其他一些觀點激勵我們繼續(xù)努力，以實現(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(無論是與工具相關(guān)還是與個人理解相關(guān))也變得越來越重要。記住模擬設(shè)計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)計的思考奠定了基礎(chǔ)。