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OCT-模拟集成电路设计的九个境界

时间:2023-06-10 08:37:00 to270集成电路icrf7170集成电路ic

  • 电路就像砖瓦,系统就像建筑。芯片设计工程师必须从系统的角度问题,否则他们只看到树木和森林。

你刚刚开始进入这个行业,对PMOS/NMOS/BJT只有一个大致的了解,你不知道各种设备的特性,具体设计成什么样的电路 你没有任何想法。你的电路图主要看国内杂志上的文章,或者根据教科书上现成的电路,你总觉得他们说的有道理。你做的电路主要是小规模模块,做一些差异运输 放,或者带间隙基准的模拟什么的,你计算发文章,怕到时候论文凑不够。一般来说,基本上看到运输还是怕。你觉得spice很难用,而且很奇怪 的东西。

第二段,你开始知道什么是电路设计,每天拿着本教科书在草稿纸上疯狂计算。还经常开始提到一些技术参数,Vdsat、lamda、 early voltage、GWB、ft之类的。总觉得有时候电路和手差不多,有时候觉得差别很大。你也开始关心电压、温度和工艺的变化。例如低压、低功耗 系统什么的。或者超高速高精度的东东,时不时来两句。当你设计电路时,开始计划去tape out,虽然tape out看上去还挺遥远的。在这个阶段,你觉得spice很强,但往往是因为AC仿真结果不对而大伤脑筋。

你已经和三段了PVT奋斗了一段时间,但总的来说,成功的设计经验还是很少的。你认为设计一个真正可用的电路真的很难,你渴望建造它 建立自己的信心,但你不知道该怎么办。你开始读一些JSSC或者博士论文什么的,但你认为他们说的是一回事,真正的芯片或者不是这样。你觉得 Vdsat什么指标不够准确,模拟器缺乏设置不足以满足您的要求,所以您尝试调整模拟器的参数,或尝试更换模拟器,但结果仍然是 有时准确,有时不准确。你去论坛,希望得到大师的指导。但他们也含糊不清,有时说对有时错。在这个阶段,你觉得spice虽然很好,但是帮手册写的 太不清楚了。

你有一次重大的流片失败经历。你知道要做好电路,你需要不断改进,你需要仔细检查每一个细节。你在设计过程中发现了很多 从未想过的问题,要想做好电路,需要完全把握各个方面。所以你开始系统地重新学习大学毕业时卖掉的教科书。仔细阅读你能找到的所有相关信息 一方面,我希望找到一些更有启发性的想法。你已经清楚地知道你需要达到的电路指标和性能,你也知道电路设计本质上需要做很多合理的妥协。可你搞不 如何确定合理,如何选择不同指标之间的妥协。你认为设计一个能正常工作的合适电路真的很难。你不相信世界上有人能做到。 当他们声称这么好的时候,因为你觉得面对如此复杂的选择,他们怎么能做到呢?在这个阶段,你觉得spice功能仍然太有限,通常是正确的 着"time step too small"错误信息发呆,偶尔你会创建一个巨大的模拟文件,让每个人和电脑崩溃。

你认为很多竞争对手只是这样,你开始有一套熟悉的设计方法。但是你不知道如何更好地优化手头的工具。你已经使用过一些 别人编的脚本语言,但是经常遇到很多问题就记不住了。awk或者perl搞定。你开始占用大量的服务器模拟时间,你相信经过大量的模拟,你可以清楚 楚地将您设计的模块调整到正确的外观。有时候你觉得做电路设计太无聊了。如果真的不行,你在考虑是否应该放弃。在这个阶段,你觉得spice好是 好,但相比之下fast spice这个系列的仿真器还很遥远;你一开始不相信AC模拟取而代之的是大量的模拟transient仿真。

你开始明白,在这个世界上,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,你会倾向于一两种模拟工具, 并且能熟练地用它们来评价你的设计。你开始考虑设计PVT你知道一个电路从开始到现在的演变过程,并且可以根据不同的应用程序减少它们。你开 注意功耗和面积,你tape out一些芯片开始满足产品要求。但有时你仍然不能完全理解一些复杂的系统设计方法,犯一些愚蠢的错误,导致灾难性的后果。你开始阅读 JSSC不仅仅是挑一两篇文章。JSSC作为厕所读物对你来说是个不错的选择。你认为在这个阶段spice是一个很伟大的工具,你知道如 何在spice合理模拟精度和速度,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。您可以在系统级中输入不同的模块指标 以换取最佳性能。您将了解一个潜在的市场,并开始自己的产品定义,并且您知道,只要方法正确,您设计的产品就会具有良好的竞争力。你可以从头到尾从容 脚划分整个电路的功能和指标,你知道每一个技术细节和他们的妥协会对你的产品产生什么影响。开始关注设计的可靠性。你认为在这个阶段 spice这是一个非常实用的工具,喜欢蒙特卡洛模拟,但你经常抱怨服务器太慢,尽管你经常在半夜运行模拟。
蒙特卡罗模拟原理 蒙特卡罗(MonteCarlo)方法,又称随机抽样或统计模拟方法,一般是指所有基于统计采样的数值计算方法。
在这里插入图片描述

这个时候成功做一个芯片对你来说很常见,就像一个老司机开车一样,遇到红灯就停,绿灯就行了。几乎所有的产品设计都是为你设计的 是无意识的。您不需要不断地调整参数和优化模拟结果,通常需要少量的模拟来结束模块的设计。你能清楚地感觉到某个指标的电路 在技术上,模块是可能的还是不可能的。您不必关心特定模块的噪声系数、信噪比或失真。你只需要知道它可以设计,更详细的技术指标 对你来说毫无意义。你开始觉得JSSC其实上面的东西都是凑数的,有时候我觉得 JSSC即使是厕纸也不合格(太薄太脆)。你觉得spice偶尔用起来挺好的,但是真的不靠谱。很多时候看工作点就够了。

在这个时候,你已经知道很多电路,你可以提前预测下一轮技术的发展方向。一年只跑几次模拟,也许一次模拟就是几年。你很少有 画电路图的时候,大部分时间都在打高尔夫或者在太平洋的一个小岛上钓鱼。除了偶尔在ISSCC加入乐趣,你从不和别人谈论电路,因为你知道没有人能知道 白。从复旦学习微电子专业模拟芯片设计的研究生到现在的五年工作经验,已经八年了此期间,我听取了国内外许多专家的建议。最近,应朋友的邀请,写点心 体验与大家分享。记得刚毕业的时候,因为打算研究传感器,错误进入复旦逸夫楼专用集成电路系统国家重点实验室做研究生。现在想想这个 实验室的名字意义深远,但当时却不知所措。电路和系统和系统是两个概念, 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, 而且我们是模拟电路设计的,自然要偏向电路。模拟芯片设计初学者总是崇拜奇思淫巧的电路,尤其是这个领域最权威的杂志JSSC (IEEE Journal of solid state circuits), 以前很喜欢看, 当时,我决心读近20年的文章,打通奇经八脉。我总是期待着什么时候我会灌一篇文章。当时,这本杂志在中国发表的文章很少, 就是在国外读博士,能在上面发一篇也很优秀。读研时,我的导师是郑增钰教授,李联老师当时已经退休,逸夫楼邀请李老师每周来指导。读研时,我导师是郑增钰教授,李联老师当时已经退休,逸夫楼邀请李老师每个礼拜过来指导。郑老师治学严 金,女中豪杰。李先生是中国模拟电路的先驱,现在在许多公司聘请专家或顾问。 87年李老师写的一本书(运算放大器设计);即使现在看来也是经典。李先生和郑先生是同学,所以很好。与我的同学相比,我自然能幸运地得到李先生 的指点。李先生和郑先生给我的培训计划是:从操作放大器学开始。所以我记得我开始设计小电流源。当时感觉设计是通过模拟调整参数。但我是永远的 记住李老师语重心长的话:运放是基础,运放设计完成后,其他的就容易了。

当时我不明白。我同学的话题都是AD/DA,东东相环等高端,而李先生和郑先生让我做原始模块,我只有(固体电子) 学) (国内垃圾杂志)发表的论文是轨到轨(rail-to-rail)放大器。 在这样做的过程中,我非常沮丧,羡慕我同学的项目,但我觉得李先生和郑先生总是有他们的理由,所以我特别看JSSC运放方面的文章,基本上近20多年的全看了。 当时我以为我很懂这个。后来下班后发现还没懂。所谓理解,就是要真正融会贯通,否则不管脑子里有多少知识,都会死。但操作放大器是模拟电路的基石,只是 只有扎实的基础才能枝繁叶茂。两位老师努力工作后才明白。

总的来说,在复旦,我感触最深的是郑先生严谨的治学风格和李先生的话。硕士毕业,去找工作,当时有几个offer。 我哥哥孙立平, 李老师的关门弟子推荐我去新涛科技。他说有常仲元,鲁汶天主教大学博士,很厉害。听了师兄的建议就去了。当时新涛已被接受IDT以8500万美金收 成为中国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 锁相环专家博士。面试时,他让我画一个两级放大器Miller补偿的, 我很熟练。他说你脸上有零点,我很奇怪,从来没听说过,云里雾里,后来才知道这是Howard国际上首先提出的, 等效模型中有一个电阻,他自己命名为杨氏电阻。 出于礼貌,不断点头。但他们还是很满意,反正就这样进去了。至于我,面试唯一的遗憾就是没见过常仲元, 大概他出差了。进入新涛后,下定决心准备专术业。

因为本科和研究生喜欢物理、数学和哲学,所以他们花了一些精力。下班后,真刀真枪必须干。每天上班模拟和下班后,我都会疯狂地看英文原版 书。第一本书现在很流行Razavi的那本书。读了三遍。感觉收获很大。当时在新涛,新生牛犊不怕虎,应该说,我还是做得很好,所以得到了常常 欣赏被他评为公司最好的potential的人。
偶尔总会来指点,别人羡慕。其实我记得聊天的时候经常告诉我的心。 得, 他的大意是,模拟电路设计有三个境界:一是手工计算,即pensile-to-paper, 事实上,电路应该手工计算证明手算的结果。第二,算后要思考,把电路变成直观的东西。 三是创造电路。 我一般都是按照这三部曲来做的。Razavi我仔细计算了书后面的练习。在公司的项目中,我也试图先用手算, 放大器的参数,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!。

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,当时面试我的也是我现在公司老板Julian。 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, 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一步一步脚踏实地,逐次跨越这四重境界。

参考:模拟集成电路设计的九个层次-顶尖高手的心得体会

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