学习模拟集成电路九个时期.pdf

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1、学习模拟集成电路的九个时期模拟集成电路大师与大伙儿分享体会：一段你刚开始进入这行，对 PMOS/NMOS/BJT 什么的只只是有个可能的了解，各类器件的特性你也不太清楚，具体设计成什么样的电路你也没什么主意，你的电路图要紧看国内杂志上的文章，或依照教科书上现成的电路，你总感觉他们说得都有道理。你做的电路主若是小规模的模块，做点差分运放，或带隙基准的仿真什么的你就计算着发文章，生怕到时候论文凑不够。总的来讲，大体上看见运放仍是发怵。你感觉 spice 是一个超级难以利用而且怪僻的东西。二段你开始明白什么叫电路设计，天天捧着本教科书在草稿纸上狂算一气。你也常常开始提起一些技术参数，Vdsat、la

2、mda、early voltage、GWB、ft 之类的。总感觉有时候电路和手算得差不多，有时候又感觉不同挺大。你也开始关切电压，温度和工艺的转变。例如低电压、低功耗系统什么的。或是超高速高精度的什么东东，时不时也来上两句。你设计电路时开始打算着要去 tape out，尽管 tape out 看起来仍是挺遥远的。那个时期中，你感觉 spice 很壮大，但常常会因为 AC 仿真结果不对而大伤脑筋。三段你已经和 PVT 斗争了一段时刻了，但总的来讲大体上仍是没有几回成功的设计体会。你感觉要设计出真正能用的电路真的很难，你急着想成立自己的信心，可你不明白该如何办。你开始阅读一些 JSSC 或博士论文

3、什么的，可你感觉他们说的是一回事，真正的芯片或又不是那么回事。你感觉 Vdsat 什么的指标实在不够精准，仿真器的缺省设置也不够知足你的要求，于是你试着仿真器调整参数，或试着换一换仿真器，可是可它们给出的结果仍然是有时准有时不准。你上论坛，希望取得高手的指导。可他们也是语焉不详，说得东西有时对有时不对。那个时期中，你感觉spice 尽管专门好，可是帮忙手册写的太不清楚了。四段你有过比较重大的流片失败经历了。你明白要做好一个电路，需要精益求精，需要战战兢兢的认真检查每一个细节。你发此刻设计进程中有很多不曾假想过的问题，想要做好电路需要完整的把握每一个方面。于是你开始系统地从头学习在大学毕业时已经

4、卖掉的讲义。你把能能找到的相关资料都认真的看了一边，希望能从中找到一些更有启发性的方式。你已经清楚地明白了你需要达到的电路指标和性能，你也明白了电路设计本质上是需要做很多合理的折中。可你弄不清那个“合理”是怎么确信的，不同指标之间的折中如何选择才好。你感觉要设计出一个适当的能够正常工作的电路真的太难了，你不相信在那个世界上有人能够做到他们宣称的那么好，因为伶俐如你都感觉面对如此纷杂的选择束手无策，他们怎么可能做取得？那个时期中，你感觉 spice 功能仍是太有限了，而且常常对着"time step too small"的犯错信息发愣，偶然情形下你还会制造出庞大的仿真文件让所

5、有人和电脑崩溃。五段你感觉很多竞争对手的东西只是如此罢了。你开始有一套比较熟悉的设计方式。可是你不明白如何加倍优化你手头的工具。你已经利用过一些他人编好的脚本语言，但常常碰着很多问题的时候不能想起来用 awk 或 perl 弄定。你开始大量的占用效劳器的仿真时刻，你相信通过大量的仿真，你能够清楚地把你设计的模块调整到适合的样子。有时候你感觉做电路设计简直是太无聊了，实在不行的话，你在考虑是不是该舍弃了。那个时期中，你感觉spice好是好，可是比起 fast spice 系列的仿真器来，仍是差远了；你开始不相信 AC 仿真，取而代之的是大量的 transient 仿真。六段你开始明白在那个世界中

6、只有最适合的设计，没有最好的设计。你开始有一套真正属于自己的设计方式，你会偏向于某一种或两种仿真工具，并能够熟练的利用他们评判你的设计。你开始在设计中考虑PVT 的转变，你明白一个电路从开始到此刻的演化进程，并能够针对不同的应用对他们进行裁减。你开始关注功耗和面积，你tape out的芯片开始有一些能够知足产品要求了。可是有时候你仍是不能完全明白得一些复杂系统的设计方式，而且犯下一些愚蠢的错误并致使灾难性后果。你开始阅读 JSSC 时不只是挑一两片文章看看，或许把JSSC 作为茅厕读物对你来讲是一个不错的选择。在那个时期中，你感觉 spice 是一个很伟大的工具，你明白如安在 spice 中对

7、精度和速度做合理的仿真，并随时做出最适合的选择。七段你开始真正明白得模拟电路设计的本质，不管关于高精度系统仍是高速度系统都有自己特有的观点和体会。你能够在系统级对不同的模块指标进行折中以换取最好的性能。你会了解一个潜在的市场并开始自己的产品概念，而且你明白只要方式正确，你设计出的产品会具有专门好的竞争力。你能够从容的从头到脚进行整个电路的功能和指标划分，你了解里面的每一个技术细节和他们的折中会关于你的产品有如何的阻碍。你开始关注设计的靠得住性。在那个时期中，你感觉 spice 是一个很有效的工具，并喜爱上了蒙特卡洛仿真，但你仍是常常抱怨效劳器太慢，尽管你常常是在后半夜运行仿真。八段那个时候成功

8、的做出一个芯片对你来讲是家常便饭，就象一名驾驶内行开车一样，碰到红灯就停、绿灯就行。一个产品的设计关于你来讲几乎都是无心识的。你不需要再对着仿真结果不断的调整参数和优化，更多时候之需要很少量的仿真就能够够终止一个模块的设计了。你能够清楚地感觉到某一个指标的电路模块在技术上是可能的仍是不可能的。你完全不用关切具体模块的噪声系数或信噪比或失真度。你只需要明白它是能够被设计出来就能够够了，更详细的技术指标对你来讲毫无心义。你开始感觉JSSC 上的东西其实都是在凑数，有时候以为 JSSC 即便作为厕纸也不合格(太薄太脆)。你感觉 spice 偶然用用挺好的，可是实在是不靠得住，很多的时候看看工作点就差

9、不多够了。九段这时的你对很多电路已经料如指掌，你能够提早预知很多技术下一轮的进展方向。一年你只跑上几回仿真，也可能一仿真确实是几年。你很少有画电路图的时候，多数时刻你在打高尔夫或是在太平洋的某个小岛钓鱼。除偶然在 ISSCC 上凑凑喧闹，你从不和他人提及电路方面的事，因为你明白没人能明白。从复旦攻读微电子专业模拟芯片设计方向研究生开始到此刻五年工作体会，已经整整八年了，其间聆听过很多国内外专家的指点。最近，应朋友之邀，写一点心得体会和大伙儿共享。我记得本科刚毕业时，由于本人打算研究传感器的，后来阴差阳错进了复旦逸夫楼专用集成电路与系统国家重点实验室做研究生。此刻想来那个实验室名字大有深意，只是

10、那时惘然。电路和系统，看上去是两个概念，两个层次。我同窗有读电子学与信息系统方向研究生的，那时候明白他们是“系统”的，而咱们呢，是做模拟“电路”设计的，自然要偏向电路。而模拟芯片设计初学者对奇思*巧的电路老是很崇拜，尤其是那个领域的最权威的杂志 JSSC（IEEE Journal of solid state circuits），以前超级喜爱看，那时立志看完近二十年的文章，打通奇经八脉，老是向往啥时候咱也灌水一篇，那时候国内在此杂志发的文章凤毛麟角，确实是在国外读博士，能够在上面发一篇也属优秀了。读研时，我导师是郑增钰教授，李联教师那时已经退休，逸夫楼邀请李教师每一个礼拜过来指导。郑教师治学严

11、谨，女中好汉。李教师在模拟电路方面属于国内前驱人物，此刻在很多公司被聘请为专家或顾问。李教师在 87 年写的一本(运算放大器设计);即便此刻看来也是经典之作。李教师和郑教师是同班同窗，因此很要好，我自然相关于我同窗能够幸运地取得李教师的指点。李教师和郑教师给我的培育方案是：先从运算放大器学起。因此我记得我刚开始从小电流源开始设计。那时候感觉设计确实是靠仿真调整参数。可是我却永久记住了李教师语重心长的话：运放是基础，运放设计弄好了，其他的也就容易了。那时不大明白得，我同窗的课题都是AD/DA，锁相环等“高端”的东东，而李教师和郑教师却要我做“原始”的模块，我仅有的在(固体电子学)（国内的垃圾杂志

12、）发过的一篇论文确实是轨到轨(rail-to-rail)放大器。做的进程中很愁闷，超级羡慕我同窗的项目，可是感觉李教师和郑教师讲的总有他们道理，因此我就专门看JSSC 运放方面的文章，大体上近20 连年的全看了。那时以为很懂那个了，后来工作后才发觉其实还没懂。所谓懂，是要真正融会贯通，不然塞在脑袋里的知识再多，也是死的。可是运算放大器是模拟电路的基石，只有根基扎实方能枝繁叶茂，两位教师的良苦用心工作以后才明白。总的来讲，在复旦，我感触最深的确实是郑教师的严谨治学之风和李教师的这句话。硕士毕业，去找工作，那时有几个offer。我师兄孙立平，李教师的关门门生，推荐我去新涛科技，他说里面有个常仲元，

13、鲁汶天主教大学博士，很厉害。我听从师兄建议就去了。新涛那时已经被 IDT 以 8500 万美金收购了，成为国内第一家成功的芯片公司。面试我的是公司开创人之一的总领导Howard.C.Yang（杨崇和）。Howard 是 Oregon StateUniversity 的博士，锁相环专家。面试时他那时要我画了一个两级放大器带Miller 补偿的，我很熟练。他说你面有个零点，我很奇怪，从没听过，云里雾里，后来才明白那个是 Howard 在国际上第一提出来的，等效模型中有个电阻，他自己命名为杨氏电阻。那时出于礼貌，不断颔首。只是他们仍是很中意，终归就如此进去了。我呢，面试的惟一的遗憾是没见到常仲元，可

14、能他出差了。进入新涛后，下了决心预备术业有专攻。因为本科和研究生时喜爱物理，数学和哲学，花了些精力在这些上面。工作后就得真刀真*的干了。天天上班仿真之余和下班后，就狂看英文原版书。第一本确实是此刻流行的 Razavi 的那本书。读了三遍。感觉大有收成。那时候在新涛，初生牛犊不怕虎，应该来讲，我仍是做得很超卓的，因此取得常总的赏识，被他评判为公司内最有potential 的人。偶然常总会过来指点一把，他人很羡慕。其实我就记住了常总有次谈天时给我讲的心得，他大意是说做模拟电路设计有三个境遇：第一是会手算，意思是说pensile-to-paper，电路其实应该手算的，仿真只是证明手算的结果。第二是，

15、算后要试探，把电路变成一个直观的东西。第三确实是制造电路。我大体上依照这三部曲进行的。Razavi 的那本书后面的习题我认真算了。公司的项目中，我也力图第一以手算为主，放大器的那些参数，都是第一计算再和仿真结果对照。久而久之，我手计算的能力大大提高，一些小信号分析计算，感觉超级顺手。那个地址讲一个小插曲，有一次在一个项目中，一个爱惜回路 AC 仿真总不稳固，调来调去，总不行，这儿加电容，那儿加电阻，试了几下都不行，就找常总了。因为那个回路专门大，因此感觉是瞎子摸象。常总一过来三下五除二就摆平了，他认真看了，然后就导出一个公式，找出了主极点和带宽表达式。通过这件事，我对常总佩服得五体投地，同时也

16、明白直观的威力。因尔后来看书时，都会认真推导书中的公式，然后再直观试探信号流，不直观不放手。一年多下来，对放大器终于能够透彻明白得了，感觉学通了，通以后发觉一通百通。最后总结：放大器有两个难点，一个是频率响应，一个是反馈。其实所谓电路直观，确实是用从反馈的角度来试探电路。每次分析了一些书上或 JSSC 上的“怪异”电路后，都会感叹：反馈呀，反馈！然后把分析的心得写在 paper 上面。学通一个领域后再学其他相关领域会有某种“加速”作用。常总的方式是每次做一个新项目时，让下面人先研究研究。我在离开新涛前，做了一个锁相环。我以前没做过，然后就把我同窗的硕士论文，和书和很多 paper 弄来研究，研

17、究了一个半月，常总过来问我：锁相环的 3dB 带宽弄懂了吧？我笑答：早就弄懂了。我壮大的运放的频率响应知识用在锁相环上，小菜了。我这时已经去研究高深的相位噪声和 jitter 了。以后不久，一份 30 多页的英文研究报告发出来，常总大加赞赏！。后来在 COMMIT 时，有个项目是修改一个 RF Transceiver 芯片，使之从 WCDMA 到 TD-SCDMA。里面有个基带模拟滤波器。我以前从没接触过滤波器，就花了两个月时刻，看了三本英文原版书，第一本有900 多页，和 N 多 paper，一下子对整个滤波器领域，开关电容的，GmC 的，Active RC 的都懂了。提出修改方案时，由于我

18、运放根基扎实，看文章时关于滤波器信号流很容易懂，因此很短时刻就能够一个人提出芯片电路原理分析和修改方案。最后报告写出来（也是我的又一个得意之作），送给TI.TI 那里对这边一下子肃然起敬，Conferencecall 时，他们第一说这份报告是“Great job!”，我英文没听懂，Julian 对我夸大拇指，说“他们对你评判很高呢”。后来去 Dallas，TI 那里对咱们很尊重，我做报告时，很多人来听。总之，此刻明白，凡情形，基础很重要，基础扎实学其他的很容易切入，而且越学越快。我是02 年 11 月去的 COMMIT，那时面试我的也是我此刻公司老板Julian。Julian问我：你感觉SOC

19、(system on chip)设计的环节在哪儿？我说：应该是模拟电路吧，那个比较难一些。Julian 说错了，是系统。我那时很不以为然，感觉模拟电路工程师应该花精力在分析和设计电路上。Julian 后来自己 run 了此刻这公司 On-Bright，把我也带来，同时也从 TI 拉了两个，有一个是方博士。我呢，给 Julian 推荐了朱博士。这一两年，我和朱博士对方博士佩服得五体投地。方博士是 TI 华人里面的顶级高手，做产品能力超强。On-Bright 此刻做电源芯片，我和朱博士做了近两年，明白了系统的重要性。芯片设计最终必然要走向系统，那个是芯片设计的第四重境遇。电路犹如砖瓦，系统犹如大厦

20、。芯片设计工程师必然要从系统角度考虑问题，不然确实是只见树木，不见丛林。电源芯片中，放大器，比较器都是最最一般的，其难点在于对系统的透彻明白得。在On-Bright，我真正见地了做产品，从概念到设计，再到debug，芯片测试和系统测试，最后到 RTP(release to production)。Julian把 TI 的先进产品开发流程和项目治理方式引入 On-Bright，我和朱博士算是大开眼界，也明白了做产品的艰辛。产品和学术是两片天地，学术能够天马行空，做出一个样品就 OK 了。产品开发是一个系统工程，牵涉到方方面面的工作，N 多的人一路协作，最终才能使产品成功推向市场。芯片领域，我以前超级崇拜学术界牛人，此刻发觉工业界水平仍是较学术界领先，朱博士说他以前在瑞士理工黄秋亭(IEEE 的闻名 Fellow)那儿做过半年研究，那时很崇拜黄，此刻发觉方博士水平更高。因此就像(天龙八部)中，一个无名扫地老僧是顶级高手。但不管工业界仍是学术界，这四重境遇却是一起的，每一个模拟芯片设计者都应该一步一步脚踏实地，逐次跨越这四重境遇。