一个搞模拟集成电路设计的菜鸟之谈

20世纪80年代以来，数字信号处理算法和集成电路迅猛发展，虽然许多类型的信号处理已经由模拟电路转换成数字电路来实现，但是在一块芯片中，模拟电路是必不可少的。作为一个模拟电路设计师中的菜鸟，说一下自己学习和工作中的一些心得体会。

　　模拟电路设计比数字电路设计困难

　　我从研究生开始接触模拟集成电路到现在有四年了，有读过“模拟芯片设计的四重境界”这篇文章，我现在应该处于菜鸟的境界。模拟电路设计和数字电路设计是有很大区别的，最基本的是模拟电路处理的是模拟信号，数字电路处理的数字信号。模拟信号在时间和值上是连续的，数字信号在时间和值上是离散的，基于这个特点，模拟电路设计在某些程度上比数字电路设计困难。模拟电路设计困难的具体原因如下：

　　1. 模拟设计需要在速度、功耗、增益、精度、电源电压、噪声、面积等多种因素间进行折中，而数字设计只需在功耗、速度和面积三个因素间进行平衡。

　　2. 模拟电路对噪声、串扰和其他干扰比数字电路敏感得多。

　　3. 随着工艺尺寸的不断减小，电源电压的降低和器件的二级效应对模拟电路比数字电路的影响严重得多，给模拟设计带来了新的挑战。

　　4. 版图对于模拟电路的影响远大于数字电路，同样的线路差的版图会导致芯片无法工作。

　　我的模拟集成电路设计学习之路是从拉扎维的模拟CMOS集成电路设计这本书开始，这本书在现在工作中还是会去查看，是模拟集成电路设计的经典教材之一。我首先想谈的就是关于模拟电路设计的相关课程和教材建议。模拟电路设计跟做其他事情一样，首先要学会一些基本的准则、方法和知识点，而经典的模拟电路设计教材就是这些东西的融合体，razavi的design of analog CMOS integrated circuits， sansen的analog design essentials， allen的CMOS Analog Circuit Design， paul gray的Analysis and Design of Analog Integrated Circuits以及baker的CMOS Circuit Design， Layout， and Simulation都是模拟电路设计经典的教材，是即使已经工作了都需要经常阅读的书籍。razavi的design of analog CMOS integrated circuits非常适合入门学习，至于其他几本教材的学习顺序则根据自己的情况自行决定。我觉得阅读教材是在作者的帮助下分析电路，而做课后习题则是在锻炼自己独立分析电路和设计电路的能力，将书里的每个电路每个公式每个习题都自己分析推导一遍是非常有必要的，对掌握单级放大器、电流镜，带隙基准。轨到轨输入，class AB。运放。比较器等基本电路具有很大的帮助，可以为以后的发展打下良好的基础。信号与系统和matlab是本科时期必须学好的技能，在研究生的学习以及以后的工作时经常用到。

　　模拟电路设计重在学习和累积经验

　　学习模拟电路设计首先要从分析模拟电路开始，模拟电路分析应遵循以下步骤：首先确定分析的目的，明确电路的问题；其次，将复杂电路分解成你熟识的基本电路模块；第三，利用基本电路模块的模型给系统建模；第四，对系统模型进行手工计算；第五，用仿真验证手工计算结果，如若不一致，则必须仔细查找其原因，而不能盲目的相信仿真结果。

　　图1 密勒电容补偿电路

　　另外，在做电路设计时，要特别注意电路中的信号流，包括电源。地。时钟。输入信号到输出信号的通路等关键通路，清楚了解整个系统的关键信号流，能更快找出电路中的问题，有效减少电路时的bug和缩短debug所用的时间。例如，在图1所示的密勒电容补偿电路中，A点的信号到达B点有两种方式，一种是信号流1通过电容馈通到B点，一种是信号流2通过MOS管到达B点。信号流1中的A点和B点极性相同，信号流2中的A点和B点极性相反，所以由A到B的传输函数有一个右半平面的零点。右半平面的零点减少了系统环路的相位裕度，会降低系统的稳定性，所以在发现这个问题后可以及时将其弥补，以免芯片无法正常工作，降低产品研发的风险和成本。

　　前文中提到模拟电路的版图设计不光关系到芯片的性能和面积，还会影响芯片的功能，使芯片完全失效，因此我还想谈下模拟电路设计中的版图设计。现在SOC已成为芯片设计的主流趋势，将模拟电路与数字电路集成在一块芯片上，这将模拟电路的版图设计提高到一个新的难度。模拟电路版图设计的关键有两点：一是匹配；二是电源、地和关键信号的走线。有些前辈说模拟集成电路做的就是匹配，在高性能模拟集成电路中更是如此，匹配是降低offset、降低非线性失真、提高共模抑制比和电源抑制比。 减小工艺温度和电源电压对芯片性能影响的重要措施，比如bandgap电路的两个bipolar管子之比通常是1:8，这就是为了版图设计时更好地匹配。电源。地以及关键信号的走线设计主要是为了降低数字电路对模拟电路的干扰以及模拟电路中的敏感模块受模拟电路其他模块干扰。具体的学习方法是首先学习模拟版图的艺术这本书，掌握基本的模拟版图设计规则，更深层次的学习只能依靠在学习和工作中累积经验。

　　成为优秀的模拟电路设计师

　　总而言之，模拟集成电路设计是艺术和科学的结合。它既需要模拟电路设计师有艺术家那种发散的创新能力，又要求模拟电路设计师有科学家那种严谨的态度和方法，因为模拟电路设计是细节决定成败。作为一个菜鸟，我要学的东西还有很多，成为优秀的模拟电路设计师是我一直奋斗的目标。