学习模拟集成电路的九个阶段

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1、学习模拟集成电路的九个阶段模拟集成电路大师与大家分享经验：一段你刚开始进入这行，对PMOS/NMOS/BJT什么的只不过有个大 概的了解，各种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，你的电路图主要看国内杂志上的文章，或者按照教 科书上现成的电路，你总觉得他们说得都有道理。你做的电路主要是 小规模的模块，做点差分运放，或者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。总的来说，基本上看见运放还是 发怵。你觉得spice是一个非常难以使用而且古怪的东西。二段你开始知道什么叫电路设计，天天捧着本教科书在草稿纸上狂算一气。你也经常开始提起一些技术 参数，Vdsa

2、t、lamda、early voltage、GWB、ft 之类的。总觉得有时 候电路和手算得差不多，有时候又觉得差别挺大。你也开始关心电压， 温度和工艺的变化。例如低电压、低功耗系统什么的。或者是超高速 高精度的什么东东，时不时也来上两句。你设计电路时开始计划着要 去tape out，虽然tape out看起来还是挺遥远的。这个阶段中，你觉 得spice很强大，但经常会因为AC仿真结果不对而大伤脑筋。三段你已经和PVT斗争了一段时间了但总的来说基本上还是没有几次成功的设计经验。你觉得要设计出真 正能用的电路真的很难，你急着想建立自己的信心，可你不知道该怎 么办。你开始阅读一些JSSC或者博士论

3、文什么的，可你觉得他们说 的是一回事，真正的芯片或者又不是那么回事。你觉得Vdsat什么的 指标实在不够精确，仿真器的缺省设置也不够满足你的要求，于是你 试着仿真器调整参数，或者试着换一换仿真器，但是可它们给出的结 果仍然是有时准有时不准。你上论坛，希望得到高手的指导。可他们 也是语焉不详，说得东西有时对有时不对。这个阶段中，你觉得spice 虽然很好，但是帮助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。你知道要做好一个电路，需要精益求精，需要战战兢兢的仔细检查每 一个细节。你发现在设计过程中有很多不曾设想过的问题，想要做好 电路需要完整的把握每一个方面。于是你开始系统地重新学习在

4、大学 毕业时已经卖掉的课本。你把能能找到的相关资料都仔细的看了一边， 希望能从中找到一些更有启发性的想法。你已经清楚地知道了你需要 达到的电路指标和性能，你也知道了电路设计本质上是需要做很多合 理的折中。可你搞不清这个“合理”是怎么确定的，不同指标之间的折 中如何选择才好。你觉得要设计出一个适当的能够正常工作的电路真 的太难了，你不相信在这个世界上有人可以做到他们宣称的那么好， 因为聪明如你都觉得面对如此纷杂的选择束手无策，他们怎么可能做得到？这个阶段中，你觉得spice功能还是太有限了，而且经常对着"time step too small" ;的出错信息发呆，偶尔情况下你还

5、会创造出巨大的仿真文件让所有人和电脑崩溃。五段你觉得很多竞争对手的东西不过如此而已。你开始有一套比较熟悉的设计方法。但是你不知道如何更加优化你手 头的工具。你已经使用过一些别人编好的脚本语言，但经常碰到很多 问题的时候不能想起来用awk或者perl搞定。你开始大量的占用服 务器的仿真时间，你相信经过大量的仿真，你可以清楚地把你设计的 模块调整到合适的样子。有时候你觉得做电路设计简直是太无聊了， 实在不行的话，你在考虑是不是该放弃了。这个阶段中，你觉得spice 好是好，但是比起fast spice系列的仿真器来，还是差远了；你开始 不相信AC仿真，取而代之的是大量的transient仿真。六段

6、你开始明白在这个世界中只有最合适的设计，没有最好的设计。 你开始有一套真正属于自己的设计方法，你会倾向于某一种或两种仿 真工具，并能够熟练的使用他们评价你的设计。你开始在设计中考虑 PVT的变化，你知道一个电路从开始到现在的演化过程，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满足产品要求了。但是有时候你还是不能完全理解一些复杂系统的设计方法，并且犯下一些愚蠢的错误并导致灾难 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作为厕所读物对你来说是一个不错的选择。在这个阶段中，你 觉得spice是一个很伟大的工具，你知道如

7、何在spice中对精度和速 度做合理的仿真，并随时做出最合适的选择。七段你开始真正理解模拟电路设计的本质，无论对于高精度系统还是高速度系统都有自己独有的看法和经验。你 可以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定义，并且你知道只要方法正确， 你设计出的产品会具有很好的竞争力。你可以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 中会对于你的产品有怎样的影响。你开始关注设计的可靠性。在这个 阶段中，你觉得spice是一个很实用的工具，并喜欢上了蒙特卡洛仿 真，但你还是经常抱怨服务器太慢，虽然你经常是在后半夜运

8、行仿真。八段这个时候成功的做出一个芯片对你来说是家常便饭，就象一名驾驶老手开车一样，遇到红灯就停、绿灯就行。一个产品 的设计对于你来说几乎都是无意识的。你不需要再对着仿真结果不停 的调整参数和优化，更多时候之需要很少量的仿真就可以结束一个模块的设计了。你能够清楚地感觉到某一个指标的电路模块在技术上是 可能的还是不可能的。你完全不用关心具体模块的噪声系数或者信噪 比或者失真度。你只需要知道它是可以被设计出来就可以了，更详细 的技术指标对你来说毫无意义。你开始觉得JSSC上的东西其实都是 在凑数，有时候认为JSSC即使作为厕纸也不合格（太薄太脆）。你觉 得spice偶尔用用挺好的，但是实在是不可靠

9、，很多的时候看看工作 点就差不多够了。九段这时候的你对很多电路已经料如指掌，你可以提前预知很多技术下一轮的发展方向。一年你只跑上几次仿真， 也可能一仿真就是几年。你很少有画电路图的时候，多数时间你在打 高尔夫或是在太平洋的某个小岛钓鱼。除了偶尔在ISSCC上凑凑热 闹，你从不和别人说起电路方面的事，因为你知道没人能明白。从复旦攻读微电子专业模拟芯片设计方向研究生开始到现在五 年工作经验，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家共享。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

10、。现在想来这个实验室名字 大有深意，只是当时惘然。电路和系统，看上去是两个概念，两个 层次。我同学有读电子学与信息系统方向研究生的，那时候知道他们是“系 统”的，而我们呢，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*巧的电路总是很崇拜，尤其是这个领域的 最权威的杂志JSSC （IEEE Journal of solid state circuits），以前 非常喜欢看，当时立志看完近二十年的文章，打通奇经八脉，总是 憧憬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， 就是在国外读博士，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，李联老师当时已经

11、退休，逸夫楼邀请李老师每个礼拜 过来指导。郑老师治学严谨，女中豪杰。李老师在模拟电路方面属于 国内先驱人物，现在在很多公司被聘请为专家或顾问。李老师在87 年写的一本（运算放大器设计）;即使现在看来也是经典之作。李老师和 郑老师是同班同学，所以很要好，我自然相对于我同学能够幸运地得 到李老师的指点。李老师和郑老师给我的培养方案是：先从运算放大 器学起。所以我记得我刚开始从小电流源开始设计。那时候感觉设计 就是靠仿真调整参数。但是我却永远记住了李老师语重心长的话：运 放是基础，运放设计弄好了，其他的也就容易了。当时不大理解，我同学的课题都是AD/DA，锁相环等“高端”的东东， 而李老师和郑老师却

12、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）发过的一篇论文就是轨到轨（rail-to-rail）放大器。做的过程中很郁闷，非常羡慕我同学的项目，但是感觉李老师和郑老 师讲的总有他们道理，所以我就专门看JSSC运放方面的文章，基本 上近20多年的全看了。当时以为很懂这个了，后来工作后才发现其 实还没懂。所谓懂，是要真正融会贯通，否则塞在脑袋里的知识再多， 也是死的。但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，两位老师的良苦用心工作以后才明白。总的来说，在复旦，我感触最深的就是郑老师的严谨治学之风和李老 师的这句话。硕士毕业，去找工作，当时有几个offer。我师

13、兄孙立 平，李老师的关门弟子，推荐我去新涛科技，他说里面有个常仲元， 鲁汶天主教大学博士，很厉害。我听从师兄建议就去了。新涛当时已 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。 面试我的是公司创始人之一的总经理Howard. C. Yang （杨崇和）。Howard是Oregon StateUniversity的博士，锁相环专家。面试时他 当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，后来才知道这个是 Howard在国际上首先提出来的，等效模型中有个电阻，他自己命 名为杨氏电阻。当时出于礼貌，不断点头。不过他们还

14、是很满意， 反正就这样进去了。我呢，面试的惟一的遗憾是没见到常仲元，大 概他出差了。进入新涛后，下了决心准备术业有专攻。因为本科和研究生时喜欢物理，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。每天上班仿真之余和下班后，就狂看英 文原版书。第一本就是现在流行的Razavi的那本书。读了三遍。感 觉大有收获。那时候在新涛，初生牛犊不怕虎，应该来说，我还是做 得很出色的，因此得到常总的赏识，被他评价为公司内最有potential 的人。偶尔常总会过来指点一把，别人很羡慕。其实我就记住了常总有次聊 天时给我讲的心得，他大意是说做模拟电路设计有三个境界：第一 是会手算，意思是说pensi

15、le-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，算后要思考，把电路变成一个直观的 东西。第三就是创造电路。我大体上按照这三部曲进行的。Razavi 的那本书后面的习题我仔细算了。公司的项目中，我也力图首先以手 算为主，放大器的那些参数，都是首先计算再和仿真结果对比。久而久之，我手计算的能力大大提高，一些小信号分析计算，感觉非 常顺手。这里讲一个小插曲，有一次在一个项目中，一个保护回路 AC仿真总不稳定，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。因为这个回路很大，所以感觉是瞎子 摸象。常总一过来三下五除二就摆平了，他仔细看了，然后就导出

16、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，同时也知道直观的威力。所以后来看书时，都会仔细 推导书中的公式，然后再直观思考信号流，不直观不罢手。一年多 下来，对放大器终于能够透彻理解了，感觉学通了，通之后发现一 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，就是用从反馈的角度来思考电路。每次分析了一些书 上或者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

17、个锁相环。我以前没做过，然 后就把我同学的硕士论文，以及书和很多paper弄来研究，研究了一 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。我强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。之后不久，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-SCDMAo里面有个基带模拟滤波器。我以前从 没接触过滤波器，就花了两个月时间，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

18、的，GmC的，Active RC的都懂了。提出修改方案时，由于我运放 根基扎实，看文章时对于滤波器信号流很容易懂，所以很短时间就能 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那边对这边一下子肃然起敬， Conference call时，他们首先说这份报告是“Great job!”，我英文没 听懂Julian对我夸大拇指，说“他们对你评价很高呢”。后来去Dallas， TI那边对我们很尊敬，我做报告时，很多人来听。总之，现在知道，凡事情，基础很重要，基础扎实学其他的很容易切 入，并且越学越快。我是02年11月去的COMMIT，当时面试我 的

19、也是我现在公司老板Juliano Julian问我:你觉得SOC (system on chip)设计的环节在哪儿？我说：应该是模拟电路吧，这个比较难一 些。Julian说错了，是系统。我当时很不以为然，觉得模拟电路工 程师应该花精力在分析和设计电路上。Julian后来自己run 了现在 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现在做电源芯片，我和朱博士做了近两年，知道 了系统的重要性。芯片设计最终一定要走向系统

20、，这个是芯片设计 的第四重境界。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。电源芯片中，放大器，比较 器都是最最普通的，其难点在于对系统的透彻理解。在On-Bright， 我真正见识了做产品，从定义到设计，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 品开发流程和项目管理方式引入On-Bright，我和朱博士算是大开眼 界，也知道了做产品的艰辛。产品和学术是两片天地，学术可以天马 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多的人一起协 作，最终才能使产品成功推向市场。芯片领域，我以前非常崇拜学术 界牛人，现在发现工业界水平还是较学术界领先，朱博士说他以前 在瑞士理工黄秋亭（IEEE的著名Fellow）那儿做过半年研究，当时很 崇拜黄，现在发现方博士水平更高。所以就像（天龙八部）中，一个无 名扫地老僧是顶级高手。但无论工业界还是学术界，这四重境界却是共同的，每个模拟芯片设计者都应该步一步脚踏实地，逐次跨越这四重境界。