如何學習模擬IC設計

（註：本文整理自EETOP論壇，帖子比較早，但感覺依然沒有過時，論壇帖子由網友Areky整理而來。網址：http://bbs.eetop.cn/thread-184554-1-1.html）

眾所周知，模擬電路難學，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麻煩的工作（實際中來說），晶體管的參數多、參數的離散性也較大。但值得我們注意的是，模擬電路構建了電子行業的基礎，至今為止，電子技術已經發展到如此高的水平。但如果我們觀察各種電子電路的發展，我們會發現：幾乎所有的電子技術都離不開放大技術。即使是數字晶元內部，其基本單元都是互補型源極接地放大電路。模擬電子技術的重要性時不我待。

模擬電路再怎麼說，關鍵的是多學多做，做出片子就自然懂得哪些知識點需要掌握了。這裡就主要談談學習模擬電路要求的四個知識部分，要成為模擬電路的設計者，我們必須掌握其最基本的以下四個組成部分：

（1）晶體管元件的設計

它是指半導體工程學方面的知識，任何設計的IC晶元都將最終回歸於它，一般都是從薛定諤波動方程式開始引出的（比較複雜），但與實際具體設計電路直接聯繫不大，而我們又不能缺少這部分，是理論基礎。

（2）晶體管電路的設計

要從事模擬電路設計事實上必須掌握晶體管電路的基本知識，推薦一邊學習一邊實驗、模擬，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計技術，這裡面的學習，我們就開始掌握經驗。晶體管、FET是構建整個電路的基礎，這裡學通了，諸多IC的原理圖就很直觀了。

（3）功能模塊的設計

功能模塊主要以各種各樣的運放為基礎，包括AD、 DA、PLL、穩壓源等等，它們都主要是由晶體管構成的，功能模塊設計工程中都會將元器件適當的理想化。這部分的學習是十分重要的。一般都是從這裡開始學習模擬電路，這部分相對來說比較易懂，也是模擬電路學習的切入點。

（4）系統設計

這部分就需要相當的高度，需要慮方方面面。

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。 關鍵是試驗、動手。

模擬電路的境界

復旦攻讀微電子專業模擬晶元設計方向研究生開始到現在五年工作經驗，已經整整八年了，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。

我記得本科剛畢業時，由於本人打算研究感測器的，後來陰差陽錯進了復旦逸夫樓專用集成電路與系統國家重點實驗室做研究生。現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，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方向研究生的，那時候知道他們是「系統」的，而我們呢，是做模擬「電路」設計的，自然要偏向電路。而模擬晶元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誌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，打通奇經八脈，總是憧憬啥時候咱也灌水一篇， 那時候國內在此雜誌發的文章鳳毛麟角， 就是在國外讀博士，能夠在上面發一篇也屬優秀了。

讀研時，我導師是鄭增鈺教授，李聯老師當時已經退休，逸夫樓邀請李老師每個禮拜過來指導。鄭老師治學嚴謹，女中豪傑。李老師在模擬電路方面屬於國內先驅人物，現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);即使現在看來也是經典之作。李老師和鄭老師是同班同學，所以很要好，我自然相對於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模擬調整參數。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) （國內的垃圾雜誌）發過的一篇論文就是軌到軌(rail-to-rail)放大器。 做的過程中很鬱悶，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，後來工作后才發現其實還沒懂。 所謂懂，是要真正融會貫通，否則塞在腦袋裡的知識再多，也是死的。但是運算放大器是模擬電路的基石，只有根基紮實方能枝繁葉茂，兩位老師的良苦用心工作以後才明白。總的來說，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，去找工作，當時有幾個offer。 我師兄孫立平， 李老師的關門弟子，推薦我去新濤科技，他說裡面有個常仲元，魯汶天主教大學博士，很厲害。我聽從師兄建議就去了。新濤當時已經被IDT以8500萬美金收購了，成為國內第一家成功的晶元公司。面試我的是公司創始人之一的總經理Howard. C. Yang（楊崇和）。 Howard是Oregon State University 的博士，鎖相環專家。面試時他當時要我畫了一個兩級放大器帶Miller補償的， 我很熟練。他說你面有個零點，我很奇怪，從沒聽過，雲里霧裡，後來才知道這個是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。 當時出於禮貌，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，下了決心準備術業有專攻。因為本科和研究生時喜歡物理，數學和哲學，花了些精力在這些上面。工作后就得真刀真槍的幹了。每天上班模擬之餘和下班后，就狂看英文原版書。第一本就是現在流行的Razavi的那本書。讀了三遍。感覺大有收穫。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。偶爾常總會過來指點一把，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，模擬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。 第三就是創造電路。

我大體上按照這三部曲進行的。Razavi的那本書後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，都是首先計算再和模擬結果對比。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。這裡講一個小插曲，有一次在一個項目中，一個保護迴路AC模擬總不穩定，調來調去，總不行，這兒加電容，那兒加電阻，試了幾下都不行，就找常總了。因為這個迴路很大，所以感覺是瞎子摸象。常總一過來三下五除二就擺平了， 他仔細看了，然後就導出一個公式，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。所以後來看書時，都會仔細推導書中的公式，然後再直觀思考信號流， 不直觀不罷手。一年多下來， 對放大器終於能夠透徹理解了，感覺學通了， 通之後發現一通百通。最後總結：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！然後把分析的心得寫在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。 常總的方式是每次做一個新項目時，讓下面人先研究研究。我在離開新濤前，做了一個鎖相環。 我以前沒做過，然後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，常總過來問我：鎖相環的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上，小菜了。我這時已經去研究高深的相位雜訊和jitter了。之後不久，一份30多頁的英文研究報告發出來，常總大加讚賞！。 後來在COMMIT時，有個項目是修改一個RF Transceiver晶元， 使之從WCDMA到TD-SCDMA。裡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，Active RC的都懂了。提出修改方案時， 由於我運放根基紮實，看文章時對於濾波器信號流很容易懂，所以很短時間就能一個人提出晶元電路原理分析和修改方案。最後報告寫出來（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對我誇大拇指，說「他們對你評價很高呢」。後來去Dallas， TI那邊對我們很尊敬， 我做報告時，很多人來聽。總之，現在知道，凡事情，基礎很重要，基礎紮實學其他的很容易切入， 並且越學越快。

我是02年11月去的COMMIT，當時面試我的也是我現在公司老闆Julian。 Julian問我：你覺得SOC (system on chip)設計的環節在哪兒？ 我說：應該是模擬電路吧，這個比較難一些。Julian說錯了，是系統。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後來自己run了現在這公司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***裡面的頂級高手， 做產品能力超強。On-Bright現在做電源晶元，我和朱博士做了近兩年，知道了系統的重要性。

晶元設計最終一定要走向系統， 這個是晶元設計的第四重境界。電路如同磚瓦，系統如同大廈。晶元設計工程師一定要從系統角度考慮問題，否則就是只見樹木，不見森林。電源晶元中，放大器，比較器都是最最普通的， 其難點在於對系統的透徹理解。在On-Bright，我真正見識了做產品，從定義到設計，再到debug， 晶元測試和系統測試，最後到RTP (release to production)。 Julian把TI的先進產品開發流程和項目管理方式引入On-Bright，我和朱博士算是大開眼界，也知道了做產品的艱辛。

產品和學術是兩片天地，學術可以天馬行空，做出一個樣品就OK了。產品開發是一個系統工程，牽涉到方方面面的工作。

模擬電路設計經驗總結

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,儘管目前數字電路、大規模集成電路的發展非常迅猛,但是模擬電路的設計仍是不可避免的,有時也是數字電路無法取代的,例如 RF射頻電路的設計!這裡將模擬電路設計中應該注意的問題總結如下,有些純屬經驗之談,還望大家多多補充、多多批評指正!...

(1)為了獲得具有良好穩定性的反饋電路,通常要求在反饋環外面使用一個小電阻或扼流圈給容性負載提供一個緩衝.

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

(3)在反饋環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).僅僅在運放的開環增益比閉環增益大的頻率下,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,並且與 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內部的導線連接處都需要濾波,因為存在天線效應.另外,在具有數字信號處理或開關模式的變換器的屏蔽系統內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量的 RF 去耦,這一點與數字 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雜訊抑制比(PSRR)在高於 1KHz 后增加很少.在每個運放、比較器和數據轉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範圍內獲得所期望的 PSRR .

(8)對於高速模擬信號,根據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生天線效應.

(9)避免使用高阻抗的輸入或輸出,它們對於電場是非常敏感的.

(10)由於大部分的輻射是由共模電壓和電流產生的,並且因為大部分環境的電磁干擾都是共模問題產生的,因此在模擬電路中使用平衡的發送和接收(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)驅動不會使用 0V 參考系統作為返回電流迴路,因此可以避免大的電流環路,從而減少 RF 輻射.

(11)比較器必須具有滯后(正反饋),以防止因為雜訊和干擾而產生的錯誤的輸出變換,也可以防止在斷路點產生振蕩.不要使用比需要速度更快的比較器(將 dV/dt保持在滿足要求的範圍內,儘可能低).

(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,並且與 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,要保證其散熱條件.