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模拟IC设计学习方法及经典名著推荐

2018-10-11 来源:收集整理 我要评论(0) 字号:

模拟电路设计在我看来是微电子领域一个集基础理论知识和创造性于一身的绝学。就像一盘棋,别人给你准备好了棋子,如何摆出如何摆出千变万化的阵势完全在于你的功力和才能如今的模电设计已经处在这样的层面,完备的仿真计算工具将设计者从繁琐的数据运算中解放出来。只要你有足够的理论基底和创造性,配以对信号处理的理解和公式推算的驾驭能力,一个个完美的设计方案就会应运而生。

众所周知,模拟电路难学,以最普遍的晶体管来说,我们分析它的时候必须首先分析直流偏置,其次在分析交流输出电压。可以说,确定工作点就是一项相当麻烦的工作(实际中来说),晶体管的参数多、参数的离散性也较大。但值得我们注意的是,模拟电路构建了电子行业的基础,至今为止,电子技术已经发展到如此高的水平。但如果我们观察各种电子电路的发展,我们会发现:几乎所有的电子技术都离不开放大技术。即使是数字芯片内部,其基本单元都是互补型源极接地放大电路。模拟电子技术的重要性时不我待。

一、模拟电路设计必须掌握的四项技能

模拟电路再怎么说,关键的是多学多做,做出片子就自然懂得哪些知识点需要掌握了。这里就主要谈谈学习模拟电路要求的四个知识部分,要成为模拟电路的设计者,我们必须掌握其最基本的以下四个组成部分:

(1)晶体管元件的设计

它是指半导体工程学方面的知识,任何设计的IC芯片都将最终回归于它,一般都是从薛定谔波动方程式开始引出的(比较复杂),但与实际具体设计电路直接联系不大,而我们又不能缺少这部分,是理论基础。

(2)晶体管电路的设计

要从事模拟电路设计事实上必须掌握晶体管电路的基本知识,推荐一边学习一边实验、仿真,PSPICE之类的都可以,通一个就行,同时要注意多想多动手。时间长了自然能掌握晶体管电路的设计技术,这里面的学习,我们就开始掌握经验。晶体管、FET是构建整个电路的基础,这里学通了,诸多IC的原理图就很直观了。

(3)功能模块的设计

功能模块主要以各种各样的运放为基础,包括AD、 DA、PLL、稳压源等等,它们都主要是由晶体管构成的,功能模块设计工程中都会将元器件适当的理想化。这部分的学习是十分重要的。一般都是从这里开始学习模拟电路,这部分相对来说比较易懂,也是模拟电路学习的切入点。

(4)系统设计

这部分就需要相当的高度,需要虑方方面面。

其实,说实在的,真正做过一两块片子就差不多能通大半部分。 关键是试验、动手。

二、传说中的模电四大名著

传说,模拟电路设计有四大名著,分别出自

  • Berkeley的P.R.GRAY

  • GIT的Phillip E. Allen

  • UCLA的Behzad Razavi

  • 以及toronto的David Johns

而其中,P.R.GRAY的著作堪称该领域的Bible。

要说模电的书,那可真是遍地都是,经典的也不在少数。但个人以为,最好的有2本。

第一当然是Razavi的Design of Analog CMOS Integrated Circuits,完美的cmos入门教材。Berkeley的Analysis and design of analog integrated circuits很多人都评价要超过Razavi。但是里面bipolar和cmos并行,看得太累,至今也没完整读过。

第二本是最近才发现的,就是Willy Sansen的analog design essentials。觉得这本书的思想很多独辟蹊径,公式推理少,偏重理解,很有启发性,涵盖范围又广。

模拟四大名著,指如下四本:

1.《Analysis and design of analog integrated circuits》, P.R. Gray, P.J. Hurst, Lewis and R.G.Meyer.. 
2.《Design of Analog CMOS integrated Circuits》,Behzad Razavi
3.《Analog Integrated Circuit Design》,D.A.Johns, K.Martin
4.《CMOS analog circuit design》 P.E.Allen,D.R.Holberg.

1. P.R.Gray的书

《Analysis and design of analog integrated circuits》这本书被业界誉为模拟IC的Bible,盛名之下,必无虚士。现在已经出到第四版,作者无一例外是业界大牛,该书论述严谨,思路清晰,对电路分析透彻,定义严格明确,无愧Bible之名。作为一个初学者,这是必读的一本书,虽然有中译本,但是建议看英文原版,因为翻译实在不是太好。该书对基本电路的分析细致深刻,但是个人觉得它写的最为引人入胜的是反馈和补偿两章,讲的很透,还有噪声一章也是几本书中讲得最详细的,对英文比较好的初学者,建议读这本书。当然作者出于某些考虑,在题材的选取上BJT和CMOS并重,对很多只作CMOS的人来说,可能感觉有点烦。

2.Razavi的书

《Design of Analog CMOS integrated Circuits》。 作为模拟IC界著名的后起之秀,他的每一本书都是值得关注的。他关于模拟CMOS集成电路设计的书,是一本很不错的入门教材。如果说Gray的书叙述风格 有如金庸的小说,正大磅礴,那么这本书就有如古龙的小说,剑走偏锋,作者关注对电路的直觉洞察,所以有些电路的处理不是那么传统,却暴露出足够的本质,该书内容较简单,加上西交的翻译版译得还不错,自然成为很多初学者得首选,但是书中偶有小错,阅读时要注意。

3.Martin的书

《Analog Integrated Circuit Design》是另外一本很不错的书,比较工程化,书中的电路很多稍做修改就适合于工程应用,我的一个朋友说他们公司设计的很多电路就是用的是该书上的结构。该书的前面部分的通篇论述其实是为ADC/DAC做准备,后面主要讲数据转换器。该书有翻译版,不过翻译版水平实在是不敢恭维的。

4.Allen的书

《CMOS analog circuit design》作为第一个提出用CMOS做模拟电路的大牛,他的书是另外的经典。该书很多公式横空出世,叫人初看之下摸不着头脑,所以不太适合初学者,适合对电路有一定了解的人阅读,该书最大的特点是从正向介绍和讲述电路的设计,关于运放的设计是该书最精彩的部分,可以使很多人的思维从分析电路转换到设计电路,考虑设计时怎么进行指标的tradeoff,完成思维的转化对一个设计师是至关重要的,笔者就是在这本书的影响下开始转化思维,跳出分析电路的框架的。该书第九章关于开关电容电路的讲述,对进行ADC/DAC设计的人来说是一个不错的开始。书中错误较多,阅读时要小心。

5.Sansen的书

作为欧洲模拟IC最有名的大牛之一,他的书是不容错过的。从这本书我们可以看到一种完全和以上书不同的叙述风格,他对基本电路的论述是所有书中最为全面深入的,而且内容的处理方式和其它书都不太一样,对于一个电路,他直接讲了从低频到高频的小信号输入阻抗,输出阻抗,增益,而不像其它的书是割裂开来介绍的,这样更适合全面理解电路和把握电路的性质,他对电路的介绍是不畏繁琐的,叫人有时有一种感觉:讲得太细致了。这本书对系统讲得比较多,适合理解电路和系统之间的关系,对运放构成的反馈系统的介绍是最为深刻的,有助于把握反馈的本质。最后两章是关于开关电容滤波器的,Laker写的,有一种感觉:懂了的 人就能读懂,不懂的人就读不懂,呵呵。

以上是几本基本模拟IC书,每一本都有自己的特色和侧重,笔者认为很难说哪本就一定强过其它,对于初学者而言,每本都有必要读,这有助于触类旁通,加深对电路的理解,大家可以精读一本,泛读多本,这样可以从不同的角度理解电路,提高自己水平。

三、模拟电路设计经验总结

模拟电路的设计是工程师们最头疼、但也是最致命的设计部分,尽管目前数字电路、大规模集成电路的发展非常迅猛,但是模拟电路的设计仍是不可避免的,有时也是数字电路无法取代的,例如 RF射频电路的设计!这里将模拟电路设计中应该注意的问题总结如下,有些纯属经验之谈,还望大家多多补充、多多批评指正!。。。

(1)为了获得具有良好稳定性的反馈电路,通常要求在反馈环外面使用一个小电阻或扼流圈给容性负载提供一个缓冲。

(2)积分反馈电路通常需要一个小电阻(约 560 欧)与每个大于 10pF 的积分电容串联。

(3)在反馈环外不要使用主动电路进行滤波或控制 EMC 的 RF 带宽,而只能使用被动元件(最好为 RC 电路)。仅仅在运放的开环增益比闭环增益大的频率下,积分反馈方法才有效。在更高的频率下,积分电路不能控制频率响应。

(4)为了获得一个稳定的线性电路,所有连接必须使用被动滤波器或其他抑制方法(如光电隔离)进行保护。

(5)使用 EMC 滤波器,并且与 IC 相关的滤波器都应该和本地的 0V 参考平面连接。(6)在外部电缆的连接处应该放置输入输出滤波器,任何在没有屏蔽系统内部的导线连接处都需要滤波,因为存在天线效应。另外,在具有数字信号处理或开关模式的变换器的屏蔽系统内部的导线连接处也需要滤波。

(7)在模拟 IC 的电源和地参考引脚需要高质量的 RF 去耦,这一点与数字 IC 一样。但是模拟 IC 通常需要低频的电源去耦,因为模拟元件的电源噪声抑制比(PSRR)在高于 1KHz 后增加很少。在每个运放、比较器和数据转换器的模拟电源走线上都应该使用 RC或LC 滤波。电源滤波器的拐角频率应该对器件的 PSRR拐角频率和斜率进行补偿,从而在整个工作频率范围内获得所期望的 PSRR 。

(8)对于高速模拟信号,根据其连接长度和通信的最高频率,传输线技术是必需的。即使是低频信号,使用传输线技术也可以改善其抗干扰性,但是没有正确匹配的传输线将会产生天线效应。

(9)避免使用高阻抗的输入或输出,它们对于电场是非常敏感的。

(10)由于大部分的辐射是由共模电压和电流产生的,并且因为大部分环境的电磁干扰都是共模问题产生的,因此在模拟电路中使用平衡的发送和接收(差分模式)技术将具有很好的 EMC 效果,而且可以减少串扰。平衡电路(差分电路)驱动不会使用 0V 参考系统作为返回电流回路,因此可以避免大的电流环路,从而减少 RF 辐射。

(11)比较器必须具有滞后(正反馈),以防止因为噪声和干扰而产生的错误的输出变换,也可以防止在断路点产生振荡。不要使用比需要速度更快的比较器(将 dV/dt保持在满足要求的范围内,尽可能低)。

(12)有些模拟 IC 本身对射频场特别敏感,因此常常需要使用一个安装在 PCB 上,并且与 PCB 的地平面相连接的小金属屏蔽盒,对这样的模拟元件进行屏蔽。注意,要保证其散热条件。

综合整理:电子发烧友网、EETOP等

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