模拟芯片，是什么？-国际期货

集成电路 (IC) 自 20 世纪 50 年月末推出以来一直统治着电子行业。所有迹象都解释这些小示意将继续主导市场，尤其是模拟 IC 设计多年来变得越来越主要。

只管云云，当大多数人想到 IC 时，他们会想到盘算机处置器或微控制器等数字电路。这篇文章应该有助于纠正这个问题。我们将回首模拟 IC 的性子，回首这些电路的一些应用领域，最后研究设计它们的怪异要求和挑战。

什么是模拟IC？

在我们最先讨论模拟 IC 设计之前，我们需要界说“模拟”。

模拟信号在时间上是延续的而且具有无限局限的值。自然界中发现的所有信号，从声波到脑电波，都是模拟信号。另一方面，数字信号随着时间的推移是离散的，而且在任何给准时间只能是一定数目的状态之一。图 1 提供了两种信号类型的对照。

模拟 IC 是发生或放大模拟信号而不是数字信号的集成电路。

模拟IC的应用

现在我们知道什么是模拟 IC，图 2 显示了它们的使用领域。

如您所见，模拟 IC 具有多种应用。让我们按种别来看看它们。

一、控制

为了控制电路操作，模拟电路凭证传感器值确立信号。模拟电路普遍使用一种称为反馈的手艺，其中电路输出值在电路内反馈，以凭证其自身值调整输出。

二、数据转换

某些应用（例如播放或录制音频）需要将数字信号与模拟信号相互转换。用于实现此目的的电路必须包罗模拟电路以丈量模拟信号。

假设您想在手机上播放一些音乐。要天生通过手机扬声器播放的音频，代表声音的数字数据需要转换为现实的声波。由于声波是模拟信号，这意味着信号从数字域切换到模拟域。

这是通过称为数模转换器(DAC)的电路来执行的。相反，录制音频需要将模拟信号（正在录制的音频）转换为数字信号，因此需要使用模数转换器 (ADC)。DAC 和 ADC 都需要特殊的数字和模拟电路，以实现高性能，同时保持合理的功耗。

三、功率

所有电路都需要功率调治，以确保它们吸收准确的电压和电流以实现正常运行。电源可能会发生噪音或泛起故障，这可能会故障甚至损坏电气系统。这就是为什么有需要包罗电力电子装备，通过提供自动关闭和/或与电源隔离等平安功效，防止电路受到损害。

这些电源调治电路可以将墙壁插座的交流电转换为低压直流电。它们还可以执行直流到直流转换以发生差异值的电压。此外，它们还可以行使能量网络将太阳能、射频或辐射能转换为直流电源电压。

四、通讯

虽然通过电缆传输的数据通常被以为是数字的，但现实上它本质上是模拟的。模拟电路提供了通过电缆发送数据的驱动能力，而且具有足够的电量以便在另一侧可读。吸收端还必须具有传感放大器，可以从发送器读取数据并将其转换回满量程数字信号。

模拟电路的数据传输应用并不限于有线通讯——无线数据传输中使用的收发器包罗许多模拟电路。这些功效用于天生和丈量电磁波，使收发器能够远距离传输所需的数据，并将射频信号转换为全量程数字信号。

五、仪器仪表和物理天下接口

为了感知现实天下的信号或天生必须与现实天下交互的信号，有需要发生延续时间的信号。凭证界说，这意味着使用模拟电路。

周详测试和丈量装备需要高性能模拟电路，能够将传感器输出信号高精度地转换为可读电压。这使得电压可以转换为数字信号。模拟 IC 用作种种仪器的组件，从检测输入电压和电流的数字万用表到检测感应电容器值转变的加速率计。

六、盘算

数字电路仍然统治着这个领域，但模拟电路也可以执行高效的盘算。具有最高盘算性能的模拟电路是你的大脑，而执行模拟盘算的电子电路通常试图复制人脑的操作。这是现在研究的一个大课题。

模拟 IC 设计要求

当工程师设计数字电路时，他们主要体贴两个设计特征：功耗和处置速率。这两个变量通常相互矛盾——设计职员必须针对其特定应用在两者之间找到*平衡。对于模拟电路设计职员来说，另有更多的思量因素需要思量，正如我们将在本节中看到的。

图 3 中的图表通常称为模拟设计八角形，是由加州大学洛杉矶分校的Behzad Rezavi设计，说明晰模拟设计职员在确立规范或评估已设计电路的性能时必须思量的指标。

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由于功耗和速率是模拟电路和数字电路之间的共享指标，因此我们不会在这里讨论它们。然而，我们将检查设计八边形上的其他点。

一、噪音

噪声（无论是由电路发生的，照样以来自自然界的无法消除的不需要的信号的形式发生的）是模拟电路的一个大问题。模拟电路组件会发生不能忽略的噪声值，这些噪声值会增添到感兴趣的真实信号中，从而损害信号完整性。

由于其高速开关，数字电路可以提供足够大的噪声，足以损坏模拟电路信号输出。然而，模拟电路的设计可以“滤除”不需要的噪声。设计师应该注重这一点。

二、线性度和增益

模拟电路主要由放大器组成，包罗我们都知道和喜欢的运算放大器。假设理想的运算放大用具有无限增益，为了使运算放大器的运行尽可能靠近理想状态，放大器增益（输出与输入之比）必须*化。

同时，线性度界说为电路的转达函数在整个事情局限内尽可能保持线性的能力。*线性电路在输入局限底部和顶部的事情方式相同。这是理想的，由于它允许简朴地处置数据。若是电路是非线性的，则需要举行庞大的后处置，否则将导致读取错误的数据。

三、电源电压和电压摆幅

模拟电路设计职员还必须确保电源电压具有足够的值来知足所需的输出电压摆幅。该电路还必须能够感测并发生划定级其余输入和输出电压。电源电压可以实现这一点。

四、输入/输出阻抗

输入和输出阻抗在数据传输应用中尤其主要。通讯线路必须具有匹配的阻抗，以*限度地削减反射信号，否则可能会损坏传输的数据信号。

由于必须思量云云多的指标，模拟电路仍然主要是手工确立的。数字电路设计是高度自动化的，行使硬件形貌语言可以从代码天生物理电路结构。

此外，虽然晶体管尺寸凭证摩尔定律不停减小，但模拟电路无法像数字电路一样充实行使这些先进节点。今天的数字电路接纳 3 纳米工艺制造，而且可能会变得更小。相比之下，模拟电路现在设计在 65 nm 至 28 nm 局限内。

晶体管的缩小会导致高阶寄生效应，这对模拟电路来说是一个困扰，只管它们不会极大地影响数字性能。因此，模拟IC从一个手艺节点到另一个手艺节点需要更多的时间。

若何设计一个模拟IC

模拟 IC 设计与数字 IC 设计有很大差异。数字 IC 设计主要在抽象级别上完成，系统和流程决议门级/晶体管级结构和布线的详细情形，而模拟 IC 设计通常涉及对每个电路加倍个性化的关注，甚至每个晶体管电路的尺寸和详细情形。

此外，许多代工工艺主要是为具有模拟功效的数字 IC 开发的，这要求模拟 IC 设计职员思量更适合数字 IC 的工艺限制和功效。

一、设计规范

模拟设计团队通常从一组规格和功效最先，就像数字 IC 设计一样。从那里，种种功效的功效模子被用来进一步缩小约束局限，并导致对装备尺寸、类型和其他工艺特征的决议。这可能包罗晶体管选择、高级结构设计、电感器和电容器手艺的包罗，以及 IC 和子电路所需的品质因数。

架构硬件形貌语言（AHDL），例如VHDL-AMS，用于执行高层仿真并确定子块的约束。只管模拟设计职员也经常为其子电路设计开发测试台，但在此阶段也可以开发一个测试台，然后用于仿真。

二、子电路设计、物理结构和仿真

有了这些细节并凭证模拟电路的庞大性，模拟设计团队通常会将子电路设计分配给小我私人。举行理想化的宏观丈量，进一步确定子电路的约束和性能预期。

接下来，这些宏观原理图被剖析为带有凭证晶圆厂流程建模的电路元件的原理图。对这些电路举行仿真和优化，然后最先物理结构历程。在寄生参数提取和结构后仿真之前完成结构和布线，然后举行设计规则检查 (DRC) 以及结构与原理图的对照。

结构后仿真可能会展现设计中的缺陷，而且可能需要重新设计、结构和仿真的迭代历程才气知足最终设计目的并提交 IC 举行流片。在整个芯片结构和仿真之前，子电路也可能履历自己的设计、结构和仿真历程，只管任何一种方式都可能导致需要在流片之前重新设计电路。

以下是模拟 IC 设计流程的抽象级别：功效性、行为的、宏、电路、晶体管和物理结构。

与模拟 IC 设计相关的详细步骤可细分如下：

设计规范：规格、约束条件、拓扑结构和测试台开发

流程示意图：系统级原理图入口、架构 HDL 模拟、块 HDL 规范、电路级原理图入口和电路仿真与优化

物理流：基于PCell的结构输入、设计规则检查（DRC）、结构与原理图 (LVS)、寄生提取、结构后模拟和流片。

写在最后

随着我们周围最近的提高使系统更增壮大，自动化电子装备最先泛起。若是没有将物理天下毗邻到电子装备的介质，这些物联网、工业自动化和其他许多应用程序就不能能实现，而电子装备正是模拟设计施展作用的地方。

此外，若是没有可以运行软件应用程序的硬件，那么软件应用程序就没有任何意义，而硬件自己就在差异领域缔造了许多时机。另有其他一些看法激励我们继续起劲，以实现确立具有尽可能多功效的尽可能小尺寸的装备的目的。

随着系统变得越来越庞大，不停阅读天下上发生的最新希望并领会最新希望（无论是与工具相关照样与小我私人明白相关）也变得越来越主要。记着模拟设计的基本原理在这里也施展着主要作用，这也为庞大设计的思索奠基了基础。