模拟电路设计艺术

1．4　模拟电路设计艺术

提高模拟电路设计的水平，关键在于学会思考与联系，而不仅仅局限于简单的理解。必须学会思考电路的方式，思考的结果是原理的发现和应用，进一步的思考便会发现缺陷和不足，深入的思考将发现类似结构之间的相互关联和区别，进而提出改进思路、改进结构、甚至是完全崭新的原理。总之，思考的结果是使设计不断进步，设计更健壮。拥有良好的思考习惯，可以达到事半功倍的效果，使电路设计水平提升到一个自由驰骋的阶段。

在此，仅举几个简单的事例说明深入思考的重要性。在电路中，MOS管饱和条件下的I－V方程是CMOS电路中的一个最重要的模型方程，对此方程的深入理解可以解决基本电路设计几乎所有的问题。首先，饱和I－V方程直接用于描述MOS管静态特性，因此成为指导静态电路即提供静态工作点的偏置电路设计的主要依据，其中的核心思想在于因果关系和电路状态的确定和维持，简单说就是固定的电流（因）产生恒定的电压（果），或者固定的电压（因）产生近似恒定的电流（果），而宽长比W/L则可用于调节电压或电流的大小，同时维持MOS管位于饱和恒流区的前提条件不变。这种因果关系的相互变化构成了此类静态工作点电路设计的基本原则。其次，静态I－V特性方程还清楚地表明，MOS管的输出电流受到栅源电压V_GS和源漏电压V_DS两个电压的控制或调制。V_GS的控制强，称为主控电压，而V_DS的调制弱，称为辅控电压，由此引入交流跨导g_m和交流输出导纳g_d的概念，在输入V_i和输出V_o条件下，g_mV_i和g_dVo分别反映了主控和辅控电压对输出电流变化即交流电流的控制和调制作用，因此必然有g_m》g_d，并且通过对I－V直流方程求偏导数求出相应的跨导和输出导纳值。以上交流参数主要用于指导电路增益的交流小信号特性设计。实际上，由于直流和交流两者的本质是统一的，是一个事物不同的属性和侧面，因此电路的设计必须兼顾直流和交流、静态和瞬态特性，比如对偏置静态电路的设计除了关注基本的静态工作点问题，还需关注瞬态启动和稳定调节等动态问题；同样，对于放大电路的设计，除了首先考虑小信号增益等交流问题外，还必须考虑电路稳定的静态工作点问题。正如MOS有源器件所具有的直流与交流的不同属性，任何电路系统同样表现出交直流特性的差异与相互联系。因此，兼容或兼顾直流与交流的不同需求，做到静中有动、动中有静，不但可以实现电路综合整体性能的提升，更有利于发掘各类电路之间的联系和区别。在第3章有关偏置电路的分析中，实际上就是通过支路静态电流定义以及动态控制方式这两方面交直流特性的差异和对比，将几乎所有的偏置电路联系并统一起来。

通过以上分析，可总结出对电路系统不同的分析方法。最直观简单的就是静态直流分析法，利用I－V的直流方程并根据电路支路电流的连续性条件列出方程求解，可完成对直流工作点以及交流特性的分析；同样，忽略静态工作点的相关信息，采用交流小信号的等效电路法，同样可实现对电路交流特性的分析。实际上，在以上两种分析方法中，电路最基本约束条件即支路电流连续性条件，不仅在静态下成立，在交流小信号以及瞬态变化下同样成立，这意味着在静态和动态的变化过程中总电流变化量仍保持守恒。利用变化量守恒的基本条件以及与电压电流关联的小信号变化量的求解，可以得到电路交流小信号分析的相关结构，由此构成电路物理分析方法的基础。

称为“类比”电路的模拟技术，在不同对象和结构之间寻找关联与差异，成为一项十分有趣的工作，这可以进一步提升对电路的理解能力。例如，对饱和条件下MOS管通过耗尽区高阻承担多余VDS电压这种恒流策略的推广，得到了互补自偏置电路设计的基本指导原则；通过与有效信号传输的类比，得到了对电源噪声的类似分析方法；根据特定结构对差分与共模信号的不同响应特性，可以深入了解不同电路结构设计的基本原则，如差分电路的设计分析方法。而更复杂的DC－DC同步整流电源管理、Class D音频功放驱动等非线性控制系统，都可以从基本的闭环线性负反馈系统设计中找出可以类比的原型结构或控制，从而掌握非线性闭环电路系统的基本设计方法。线性模拟电路为非线性模拟集成电路的学习积累必备的条件，进而为更复杂数模混合集成系统的学习创造良好的基础。高频下数字电路的设计将更多地与模拟电路的设计相互融合并成为一体，数模混合设计面临更大的挑战。

在满足电路功能和性能指标的基本前提条件下，提高电路设计的稳定性、健壮性、灵活性和可重构配置成为模拟电路设计追求的重要目标之一，并构成模拟IP电路实现的重要基础。在稳定性与灵活性中，稳定性是基础，灵活性是扩展。没有稳定性，灵活的可重构配置失去了依存的基础，没有灵活多变的设计，则无法满足变化环境和变化需求对IC设计与应用内在的迫切要求，竞争能力下降。设计的健壮性与可配置性的有机结合，一方面需要引入基准电路中普遍采用的PVT无关性设计原则和理念；另一方面，需要引入数字电路系统实现灵活的控制和配置，数模混合成为高性能系统设计的必然选择。

为了提高模拟乃至数模混合电路学习的成效，必须形成良好的学习习惯和分析问题的方式。具体而言，就是必须学会用大脑思考，而非仅仅依赖电脑；提倡怀疑一切，不能轻信结论，尤其是太理想的结果；任何结果都是有条件成立的，都存在改进提高的余地；模拟电路分析尤其应重视电阻、电容、电感的寄生效应，选择好每一个器件，处处成本意识，系统最优高于电路最优，电路最优高于器件最优，电路设计并不一定追求器件最少；时刻牢记PVT无关或弱相关性是模拟电路设计不懈追求的目标；熟悉低层，尤其是版图、工艺和测试，打牢半导体器件物理、半导体器件模型和集成电路工艺基础；广泛阅读各类经典专著、系统总结后消化吸收为我所用；提倡概念先行、方法推进、虚实结合的学习方法，最终达到兼收并蓄的效果。

模拟电路设计水平的提高必须依靠大量高水平的工程实践，课程学习关键在于培养兴趣、培养良好的学习习惯，并建立必要的理论基础。基础好，才有发展的潜力，基础不仅是在学校，而且要在工作中积累。基础好的重要表现：知识面广，灵活应用，物理概念清楚，有能力吸取最新知识和最新发展。通过本书的学习，将有效提升对模拟IP线性电路分析与设计的专业技能，熟悉各种基本模拟IP电路如偏置、基准和运放的结构设计方法与思路，具备基本的参数计算分析能力理解能力、创造能力。通过课程学习，初步了解工程实践与学术研究相结合所要求的规范性、关键环节与细节控制、技术总结和交流提升能力的重要性。

就作者切身的体会而言，IC设计尤其是模拟IC设计师，应当具有这样一种基本能力，即对各类广泛电路系统物理概念简明而清晰的理解和洞察力、扎实的笔算能力以及利用基本EDA工具完成复杂电路分析和验证的能力。同时，为了便于理解并抓住重点与核心，通过忽略高阶和次级效应，能够将一个复杂的问题简化以便于分析和理解；与此相对应，在考虑各种实际因素的影响后，从提高产品核心竞争力和可靠性的角度出发，可将一个简单的设计复杂化，以期设计品质的改善与提高。设计过程中，注重专业化分工合作的团队精神，每一位设计人员既有自由发挥的空间，同时又能感觉集体氛围的互助与互补，在激烈的竞争中赢得主动。