简析模拟集成电路设计

模拟集成电路设计一直在集成电路设计中占据着极其重要的位置。由于我们所处的现实世界里存在的各种信号从本质上来讲都是模拟信号，因此从现实世界获取信号，进行放大、滤波和采样量化并最终返回现实世界实现驱动都离不开模拟集成电路。

模拟集成电路设计被称作是一门艺术。物理世界中的各种信号在模拟集成电路设计看来最终都以电压，电流或者电荷的形式呈现出来，有时还要深入到半导体物理中，观测信号在电子级别的变现，比如说热噪声。那么在外人看似枯燥的工程科学，其艺术性如何表现出来呢？换一个角度来看，模拟集成电路设计充满了诸多设计因素的“trade-off”,设计者需要在速度，功耗，增益，电源电压，噪声，芯片成本，设计鲁棒性等功能性能要求之间反复折中，最终做出最合适的设计。这个过程中充满了妥协的艺术。（如图1）更形象一点说，假设我们去买车，开始肯定想买辆法拉利，又漂亮又拉风（电路速度快，增益高），但是发现法拉利很吃油，保养贵，开得起养不起（功耗高，芯片成本高），只适合城市道路跑，乡村小路跑不了（电路抗噪声特性差），此时再想一想，如果只是为了出门通行的便利，似乎大众本田也可以满足要求，居家过日子还是要以经济实惠为主。因此不盲目片面的追求电路的性能，应综合考虑我们的项目需求来制定合理的设计指标。当然，如果有土豪级需求也是可以考虑法拉利的哈！

图1 一个运算放大器诞生的矛盾历程

从事模拟集成电路设计需要准备一杆笔，一堆演算纸。因为模拟电路设计充满了电路结构的划分和公式的推导，等推算的八九不离十了，再通过计算机EDA软件的仿真进行验证，如果仿真结果与推算结合符合得较好，则可以得到满意的设计，如果符合不好，则需要仔细检查可能出问题的地方。从事模拟集成电路设计就像是一个为孩子成长操碎心的妈妈，不仅要关注在常规条件下的工作变现，还要关注所使用的CMOS工艺的极端工艺角带来的电阻，电容值±20%变化的影响，温度从-40变到125度，电源电压±10%的变化，工艺离散偏差对电路性能的影响，还有各种看不见却无处不在的可恶的寄生效应（如图2）….. 好吧，到此为止，说多了都是泪啊！等到流片回来，还需要怀着颤颤巍巍的心理来进行测试，心里祈祷着千万不要出问题。出了问题，真是吃嘛嘛不香，绞尽脑汁在想问题可能的原因是什么。找到原因并解决了问题，心里乐开了花。也有找不到原因的时候，这时候也只能抱怨一句：只有上帝才知道怎么回事！

图2 一个CMOS 反相器的寄生参数

如何有效地做好模拟集成电路设计？SOP! SOP! SOP! 重要的事情说三遍！虽然芯片设计的流程与当前公司的SOP并不完全一致，但是宗旨是一样的，即有效的流程管理控制可以大大减少设计出错的概率。其次，要多留设计裕量，IC流片成本高，时间周期长，一旦测试发现问题，一定要有后手来应付，因此电路设计的裕量够不够至关重要。最后，引用行内的一句话，“电路如同砖瓦，系统如同大厦。芯片设计工程师一定要从系统角度考虑问题，否则就是只见树木，不见森林。”从系统的角度考虑芯片的设计，才能做出优秀的芯片产品。

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