发布时间 : 星期三 文章虚拟项目学习法 - 基于模拟集成电路设计更新完毕开始阅读
虚拟项目学习法——基于模拟集成电路设计（转载） (2009-03-23 16:47:34)
从学生到工程师的角色转变，在不着门路到游刃有余的学习和工作过程中，如果有一个好的导师，一个好的环境，一些好的项目，无疑是技术成长的加速器。不过，可能现实中很少有这样的幸运儿，常常碰到的问题可能是：得不到“高手”指点；没有志同道合的“战友”和热烈的学习讨论环境；缺乏共享精神或者所参与项目与自身的设计水平偏离太大等等。 真是幸运总是相似的，而不幸却各有不同。笔者也常常在黑暗中摸索寻求，也常常自问：怎样才能提高自身水平，成为一个模拟集成电路设计的“高手”？也愿意把一点点肤浅的感悟写出来，以抛砖引玉，如果对同样迷茫的初学者有所启发，当是深感欣慰。 做技术需要灵感也需要有持之以恒的毅力，如果选择了做技术这条道路，就得“有条件要上，没有条件创造条件也要上”的决心。本文主要与初学者探讨“没有条件”或者条件较差的的情况，对于功底已经深厚、有高手指导等情况的设计者，大可不必深究。这里，解决技术成长条件缺乏的方法简单的称之为“虚拟项目学习法”。顾名思义，初学者如果得不到真实的项目的锻炼机会，就充分发挥“DIY”精神，自己构建虚拟的设计项目，尽力完成，理论联系实际，以达到对自身技术提升的目的。
那么，这里以模拟集成电路设计为例，具体阐述“虚拟项目”学习法的实践过程。
第零步，搭建一个可用的设计环境
当前的电路设计几乎已经离不开计算机辅助设计软件来帮助电路设计、仿真、版图设计等工作，所以项目学习的第零步，就需要搭建一个可用的EDA设计环境。如果软硬件方面情况容许，可以利用基于工作站的cadence、hspice或synopsis等软件。cadence和synopsis等软件功能强大，如果购买的license足够，几乎可以完成IC设计、仿真、版图、验证的所有任务，但是这些软件也价格不菲，个人甚至很多起步公司都无力承受。如果侧重于IC电路设计，可以基于Hspice、Hsim等软件。Hspice也是一种应用非常广泛并得到业界广泛认可的仿真工具，且有PC机版本。另外，Hsim常常可以获得较快的仿真速度。可以在PC机上IC版图设计软件主要有Tanner等。对于学生，仅工学习而不考虑流片的情况下还可以考虑搜索免费或者试用版的EDA软件。
同样，工艺库文件也是仿真所必须的。如果可能，可以得到foundry厂的工艺文件是比较理想的。另外，有些工艺文件是公开的，可以通过网络得到。一些大学如Berkley大学等，还提供免费的spice模型文件，可以作为学习之用。
具体的软件安装和模型库文件配置可以参考帮助文档等，这里不再赘述。
第一步，运算放大器（opamp）设计
完成第零步之后，这里可以假设虚拟项目学习法在已经有了可用的EDA设计环境上，进行具体虚拟项目的设计了。
这里将运算放大器的设计列为第一个虚拟设计项目。可以说运算放大器是模拟集成电路的基石之一，几乎任何用途的IC芯片都要或多或少的用到运算放大器，而且运放的很多分析方法可以推广到环路、系统设计中，模拟IC设计工程师几乎在整个技术职业生涯都会与运算放大器有千丝万缕的联系。因此，在设计的第一步，了解和熟悉一个简单的运算放大器，是恰当的。
常见的运算放大器有两极、套筒、折叠三类，最主要的指标包括：增益、-3dB带宽、单位增益带宽、相位裕度、摆率等等。这里给出一个比较容易达到的设计指标供参考：
指标 单位 DC 增益 60 dB -3dB带宽 10 MHz 0dB带宽 25 MHz 相位裕度 >60 度 CMRR >50 dB offset 10 mV 工作电压 5 V
表1 一个运算放大器的示例性设计指标
在该项目实现的初步，学习模拟集成电路设计的基础知识，参考一些简单的运放设计电路，体会设计指标与电路各MOS管宽长比、偏置电流等参数的内在联系。在此过程中，培养自己查找和阅读参考书、论文、芯片文档等设计资料的能力，这在从事技术类职业生涯中是常常用到的基本功。
在初步实现既定指标之后，也可以对性能作进一步的提升，比如扩展带宽或者提高增益。而在提升某方面指标时，可能对其他方面造成影响而不能接受，如提高相位裕度(Phase margin)对带宽、建立时间（Setting time）等指标的影响。这样就可以在具体项目设计中领会模拟设计“折衷”的重要思想。本项目设计中的改进和折衷示意如图1所示，对初步设计达成的某方面指标不满意而改进，但其他方面的指标也可能反而变坏。这里纵轴是代表各自不同的单位，如dB, Hz等。
图1 运算放大器设计时的改进和折衷 在设计完成以后（包括后继项目），应该重视对设计项目的总结，将设计目标，电路设计过程，仿真结果，设计感想等等写成总结报告。这样既能对设计经验进行积累，找到不足，还能锻炼撰写规范文档起到学习的作用。很多管理规范的公司和研究机构对项目过程、最终产品等的文档要求都是严格的。 扩展参考项目：比较器设计
第二步，带隙基准源设计
在常见的CMOS和很多BiCMOS工艺的带隙基准源(Bandgap)中，运放都是重要的一部分。那么，以带隙基准源作为第二个虚拟项目，既可以传承第一步运放设计的经验甚至设计成果，也能体会一个小小的“系统”设计思想，无疑是较为适合的。
在带隙基准源设计之初，宜学习带隙基准的基本原理，如果在理论上能够对各种基准源的一步步发展演变有较为全面的认识更佳。基准源的结构有很多种，需要根据不同的芯片选择合适的结构。有的芯片工作在低电压，就需要基准源可以在低电压启动并工作；有的芯片工作需要高精度的电压基准，则要求基准源的温度特性、电压抑制比很好；有的芯片本身简单，对基准源精度等要求也较低，而侧重于结构简单，面积较小的基准源。纵向的了解基准源的结构演变对选择恰当的基准源结构无疑是有所帮助的。
同时也应该意识到，带隙基准源往往是作为整个芯片的一部分，对结构的选择、线性调整率、负载调整率、工作电压范围、功耗等指标的选择就需要有从芯片角度来考量，横向的认识芯片基本模块，从而培养自己更高的系统观念。
在芯片设计论文或芯片手册中有具体设计指标的例子，这里略去。 扩展参考项目：振荡器(Oscillator)设计
第三步，数模转换器设计
数模转换器(DAC)、模数转换器(ADC)已经越来越广泛的应用在通信、视频图形图像等片上系统(SOC)中，连基础的电源管理类、音频类芯片也逐渐加入了更强大的数字控制逻辑，集成数模转换器或模数转换器已经屡见不鲜。在参数要求不高的情况下，数模转换器相比于模数转换器通常较容易实现，故第三步可先做数模转换器设计的实践。
通过理论学习，熟悉数模转换的原理和了解常见数模转换器类型。项目设计宜以R-2R型数模转换器设计开始，尝试电流舵型数模转换器设计。
在R-2R型设计过程中，注意工艺电阻偏差大小对INL、DNL的影响，对二进制码、温度计码位数的折衷选取，版图布局等问题。
第四步，模数转换器设计 对于设计经验较少的初学者，模数转换器设计已经是一个较为大型的系统设计。在系统进一步复杂之后，项目前期的系统设计就显得格外重要。如果项目设计之初对放大器指标，采样保持模块(流水线型模数转换器，pipeline ADC)指标，环路设计(∑-?型模数转换器)等不够明确，对后继设计带来的困难是无法想象的。建议学习Matlab/SciLab等科学计算工具，进一步提高系统设计的能力。
现在较为常见的模数转换器有Flash，流水线(Pipeline)，SAR，∑-? ADC等结构。初学者可以在了解他们基本原理的基础上，量力选择比较能够实现的设计指标。而过高的设指标，如高速、高精度、低压低功耗等方面的模数转换器仍然是顶极模拟集成电路设计的热点，对于初学者难度过大，并不主张过早涉及。? 扩展参考项目：锁相环设计、DC-DC系统设计
通过这几个虚拟项目的联系，相信初学者已经对模拟集成电路设计有了一定的了解，在应聘或者职业入门方面也有了一些基础，已经可以在具备更好模拟集成电路设计环境的公司、研究单位等进行真实的项目，虚拟的项目可以向更高的层次和指标拓展，这里就不再赘述了。 其实，可以想见，“虚拟项目”学习法的思想在其他技术学习领域也是可以应用的，如数字集成电路设计、软件设计等，只是具体“虚拟项目”的选题最好是由对该领域有较深体会的作者提出，这里也不加以探讨了。