模拟IC设计个人历程

1、我想讲讲自己的成长历程，主要是技术能力是怎么提升的。先简单介绍一下。本 人一直 audio dac/adc 的，也就是 sigma delta dac/adc，在 audio 中，dac 远比 adc重要，所以重点还是在dac上。目前dac的水平是做到了 100多个db的动 态范围，关键在于功耗很低面积很小，是在公司原来70多个db的基础上，不 仅将性能做到了 100多个db，还将功耗面积都大大减少了，性能功耗面积全面 超出了国外知名的IP供应商。& ?。打住，有人感兴趣的话再继续往 下讲。你买mp3之类的东西，你说是播放重要还是录音重要呢？所以dac比adc 重要。我不是什么大牛，只不过有点

2、心得感悟，拿出来分享而已。写得不好，见笑了。在学校的时候我一直想做个程序设计师，自己摸索编程（编称对一个模拟电路设 计工程师来说是很重要的，后面会提到），毕业后却成了模拟电路设计师。实际 的我的专业不是计算机也不是微电子。刚进公司时实际上只懂得一点点带隙基准 的设计，实际上连ac/tran仿真都没有弄明白，还不知道电路一定要经过tran仿真，密勒补偿也不知道是什么意思。现在回想起来笑死 人了。刚分给项目组时，主管在忙项目，刚好项目遇到瓶颈，他又不喜欢带人， 觉得我又用不上，干脆就分给我一个课题：研究一下classd吧，现在挺火的， 研究好了你就是专家了，公司没有人研究过。于是我就开始了长达半年

3、多的放羊 式的工作生涯，大部分的基础都是在这个时候建立的。在这些时间内我干吗呢？ 看看拉扎维，gray的书，发现跟classd也没什么关系阿，在网上找paper，看 了.将近100多篇，还是没有头绪，毕竟paper中的垃圾太多了，找出真正好的 paper不容易。后来终于找到TI的一篇classd论文，讲得很好，于是试着做电 路，并且开始仿真。后面我将讲一些自己感觉对学习模拟电路真正有用的方法。说的没错，机遇还是很重要的，重要的是自己善于把握机遇。人生就这样， 什么时间段就做什么事情，如果把握不住，以后就再没有这么好的时光了，珍惜 现在非常重要。到目前为止，我工作3年多了。IP供应商是Chipi

4、dea，现在被 mips收购了。class d几年前还是挺火的，现在就成了白菜了。不少人有误解， 说classD的性能比不上ClassAB，更比不上ClassA，实际上是不对的。ClassD 照样可以做到非常好，好好设计的话，96dB动态范围，-80dB以上的性能是很 容易得到的，ClassAB反而不容易做好谐波失真。ADI有个AD1991,性能很高， 远比一般的ClassAB高，但是我看其架构一般，有更好的架构可以做到同样的 性能，但是功耗更低，很重要的是，开发周期可以更短。关键在于架构。其实所 有的电路都这样，关键在于架构。做电路有4点是非常重要的，1、性能;2、功 耗;3、面积;4、开发

5、周期。决定这4个范围的折衷关系的关键就是架构1.作模拟的一定要基础，所谓的基础!用来分析模拟电路的通用工具：信号与系 统和电路理论，这两本本科教材恰恰是做模拟的基础2深刻理解基本的模拟电路模块，比如current mirror，2 stage miller OTA，folded -cascode OTA等。不是说看了 Allen的书，懂了其中的公式，而是能琢磨出书 中不曾提过的方面，即使书中的东西，也能有自己的理解甚至修正。这个过程既 是一个需要理论严格推倒的过程，又是一个需要培养直觉的过程；既是一个看书 学习别人的过程，又是一个独立思考，形成自己设计方法的过程。毕竟，真正的 做出产品有所创新

6、，教科书远远是不够的。在2的基础上形成对于模拟电路设计的一种直觉以及经验值，这是实际设计中 的最有用，比如一个current mirror Vdsat取多少，面积取多大；另外对于各种 电路的优劣有了更加深刻认识，知道对于所需要的性能，能够选取最简单可靠的 结构来实现（这一点是很重要的）。在流片基础上积累工程经验，知道模拟电路在实际过程还有哪些仿真无法预测的东西，这往往不是一个电路的问题，而是可能各个模块之间配合之类的。针对流片中的问题进一步加深了对电路的理解，并且在此基础上能够有所创 新。在实际中发现很多做模拟的，论文也许看了不少，书也看过不少，可是拿他们的电路做一下DC，发现很多curren

7、t mirror Vdsat只有几十mV，一个差分对 工作状态都十分不合理，比如输入差分对vdsat，active load Vdsat取的都不合 理，比如输出级馆子的L。还有很多人做电路是拿大炮打蚊子，很普通的要求，硬是做的很复杂的结构，不 计面积。开始看classd，我是怎么都看不懂，搞不懂原理。方波能表示谐波失真很低 的正弦波？开始用开环结构，即使用最理想的PWM产生器，也很难产生谐波失 真很低的波形，何况模拟电路有那么多非理想性呢？当时还看到文献说要做死区 时间。我想这怎么可能呢？那不是就制造非线性吗？但是没有死区时间的话，功 耗很大，EMI问题也很难解决。真是太矛盾了，简直就是没有办

8、法折中。大家知 道，开关电路仿真速度是很慢的，半个小时才能够仿真一个周期，精度还不是很 高，所以一有什么想法，我都需要花至少半个小时以上的时间去验证。实际上，使用的时 间远比半个小时要长，因为hspice经常碰到收敛性问题，而且经常是仿真到一 半的时候不收敛！前功尽弃！痛苦了很长时间。后来发现spectre的收敛性比较 好，以后就一直用spectre 了。但是还是时常有收敛性的问题。为了这个问题， 我找了一本专门将spectre仿真的书（是开发spectreRF的那个牛人写的），研 究spectre是如何计算，做电路的时候如何帮助仿真器收敛，建模的时候要考虑 那些不收敛因素。这是我做设计的风格

9、，遇到不懂的问题，总是去找专业的书或 者文献，认认真真研究，即使花，很多时间也要去做，重要的是一定要弄懂！在 那之后我就很少碰到收敛性问题了，即使碰到了也能够很快解决。classD的矛 盾问题当时没有办法解决，最后我想，一定是我的思路错了。这个时候的我，还 是从时域去思考问题的。不过在研究文献的时候，我找到了方向：1、要从频域解决问题；2，ClassD的重点是noise shaping；于是开始学习信号与系统。当时感觉，很多人都觉得信号于系统很重要，但 是真正花时间去学习的人并不多，因为真正用信号的概念去解决问题的人并不 多。我看书的习惯是通读一遍，一般使用3天到1个星期的时间，然后就结合 自

10、己的实际工作开始研究相关章节。但是信号与系统太理论化了，还是不知道怎么应用到实际中。我想ClassD怎么说也算一个模拟滤波器吧，又 研究起了滤波器的书，其间也是需要用拉普拉斯算子推导传输函数的。在推导的 过程中，慢慢建立起信号与系统的概念。但是对于ClassD的noise shaping， 我还是不懂。ClassD的重点是noise shaping，这点我是从sigma delta调制器 中了解到的。sigma delta是7 C4 D相当成熟的理论，现在几乎很少人去研究 它了。我想，干嘛不先弄懂sigma delta再做ClassD呢？于是我找这方面的资 料。恰好我的一位同事非常喜欢搜集各种

11、模拟电路的书籍，他给我推荐了一本ADI 牛人写的Delta- Sigma Data Converters - Theory, Design and Simulation，我现在把这本书称为sigma delta bible，我的大部分sigma delta 的知识都是从这本书中得来的。同样还有一本很重要的书是：Understanding Delta Sigma Data Converters这本书也是ADI的牛人写的。如果有人问我， 做模拟电路从做什么开始最好？我会说从sigma delta adc/dac做起最好，因为 它会告诉你什么是信号，什么是传输函数，什么是建模，什么是噪声等等模拟电

12、路中最核心的内容。如果问学习sigmadelta要看什么书的话，我就推荐这两本 书。我之所以在这个领域能做出一些东西来，这两本书的作用是最大的。！ B1但是不是说我学完这两本书就什么都会了。还差太远了，因为吸收知识是不容 易的。而且，说句实话，做电路可不是学教科书，书上讲得都是对的。现实情 况是我们经常不知道哪些是对的，哪些是错的，paper满天下，但是错误或者含 糊不清的东西也满天下。当我们遇到没有资料讲过的问题时，d8 Y甚至不相信 自己的推导是否正确。很多人做完电路后也经常疑惑，自己做的电路真的可以工 作吗？性能能够达到要求吗？有bug吗？有什么地方没有考虑到吗？做模拟电路和做数字电路或

13、者软件最大的不同并不是两者之间的难度的差 距，而且模拟面对太多不确定的问题，软件可以运行，FPGA可以跑逻辑，但是 模拟电路没有，只有比蜗牛还慢的仿真软件，而且还没有办法模拟真实的情况。 在回片之前很难有100%的把握说自己是对的！做模拟电路的信心实际上来自于 你自己怎样去判断哪些仿真结果是可信的，哪些仿真结果是不可信的。真正的提 高来自于对已有芯片的debug。当时公司刚好有一款芯片正在debug，出了了不 少问题，其中一个问题就是sigma delta DAC的问题。我在开会和其他情况下， 我知道了这个问题的现象，那就是输出居然有三角波！这个严重的问题过了很长 时间都没有能够解决。当时我拿

14、到了设计文档，对里面的结构进行matlab建模， 当然还是学习阶段。说到matlab建模，我得重点说一下，matlab是非常重要的 工具，做sigma delta的优点是，你必须掌握这个重要的工具，否则是很难进步 的。前面说过，我原来是想当程序员的，写过一些代码，这个时候，我写代码的经验马上帮了我 大忙，我很快就进入了状态，对matlab非常有感觉，于是我就用matlab对sigma delta系统开始进行建模了。这里我又要介绍一本书了，那就是数字 信号处理实践方法，这本书我花了一个黄金周看完，一个黄金周除了看书吃饭 睡觉几乎不做别的事情，黄金假期就这样给我毁了，但是这是我最不后悔的一个 黄金

15、周，因为这事我学习信号与系统的关键转折点。这本书深入浅出，很多我原 来看信号与系统没有看懂的内容都在这本书中看懂了。而且与matlab的结合， 使得本书特别适合sigma delta建模的指导书。这本书讲数字滤波器的，与其说 数字滤波器，不如说是离散时间滤波器，所谓ADC/DAC不就是离散时间滤波器 吗？而且我连数字滤波器的算法也研究了，为我以后接下整个codec的设计打 下了基础。这个领域是比较奇怪的，做模拟电路的人觉得这个是数字电路的领域， 做数字电路的人又忙于做实现，没有时间去研究，就成了真空地带。只有我不忙 项目，想学什么就学什么，自己又有兴趣，刚好自己又在学习数字信号处理。所 以就研

16、究了起来。有matlab作为实践工具，学习还是很快的。当时就一边写代 码，一边优化算法去了。Delta-Sigma Data Converters - Theory, Design and Simulation这本书我也一直在看，直到有一天，我在书中看到了这个现象的描 述，而且规律和测试结果相似，于是我对这个现象用matlab进行了建模，建模结果表明，三 角波是可以建模出来！而且其它现象也类似！于是，我把建模结构给领导演示了， 我说问题应该应该是这个，但是我也不知道电路是在哪里出了问题，给我时间， 我相信可以把问题找出来！做事情重要的不是你本身有多厉害，而是你有多投入。就自己的经验来说， 收获

17、最多的总是投入最大的时候，而且投入的多少和得到的多少是相差很多的。 假如投入80%的话，收益可能是20%，但是如果再加20%的投入，你却可能 得到另外的80%的收益。所谓行百里者半于九十也就是这样的道理。实际上问题的现象和书中所讲是有区别的，甚至有矛盾的地方。在建模中我 对发生问题的可能性进行了研究，对问题发生的可能行也进行了猜测，同时对电 路进行了仿真。为了做仿真，我又学习了 VerilogA语言，进行了简单建模，同 时研究dft算法，研究用什么样的方法可以提高仿真精度，同时减少仿真时间。 sigma delta的仿真是非常缓慢的，经常是一天才能够仿真一个case。在仿真的 时候，我几乎绝望

18、了，因为仿真结果表明，设计没有问题，找不到任何问题的迹 象。我不断变换条件去仿真，同时也在不断建模。在建模的时候，我发现，这个 问题在某某电路之前不可能出现这个问题，在某某电路之后也不可能出现这个问 题！推理和建模都说明了这个问题，但是拿电路一仿真，发现又没有这个问题！ 无法重现。当时的心情就是：绝望！问题看起来近在咫尺又远在天边，看到了希 望，有好像没有希望！就这样我仿真了两个多月的时间，几乎要放弃了。在不断 的仿真中，终于有一次，我把这个问题仿真出来了，但是表现和测试结果又有不 一致的地方。当时我的判断是，问题并没有找出来，我不过是找到了另外一个没 有那么严重的问题而已。debug过程又进

19、入了绝望的阶段。当时有新的项目要开始做了，里面刚好有这个模块，项目组内分模块的时候， 大家都不愿意选这个模块，不过我倒是很愿意。我的思路是一定要把问题找到， 才开始做电路。实际上是很冒风险的，项目是有进度要求的，但是debug这种 事情是没有办法控制进度的，很容易把项目变得不可控。但是问题不找出来怎么 能够保证下一版就没有问题呢？难道问题会凭空消失吗？我决定把时间继续投 入到debug中，坚持到最后时刻，才开始这个模块的设计。正好领导也重视这 个问题，所以才能够继续坚持下去。在某天看波形的时候，我看到问题了！波形 有不对的地方，我对这个问题进行抽象，从信号与系统的角度来看，应该跟测试 结果吻合

20、。我建立了新的模型，建模仿真表明，跟测试结果的表现是一致的，对 电路做了调整，在做spice仿真，发现问题真的不见了！最让我激动的是：我做 到了理论/建模/测试/仿真的一致性！让我100%的确定，我找到了问题的根源， 唯一担心的是，不知道是否还有未发现的问题。毕竟模拟电路和数字电路不同， 数字电路对就是对，错就是错，模拟电路却是模糊的，仿真经常还是会出现盲点 的。不过幸运的是，电路修改后就没有问题了。让我感到惊讶的是，实际上问题 出现的地方跟原来一大早的推论是一致的，在那一点之前的通路不可能出现这个 问题，在后面的通路也不可能出现这个问题。问题就在那个点上。这个困扰人那 么久的问题，说白了其实

21、是小小的错误，修复这个错误，我所做到的不过是修改 了一根线而已。但是收获很多，远比一根线多多了！做sigma delta最重要的是 噪声，就是在那段时间，我获取了不少数据，利用这些数据，并且修改仿真方法， 最终做到了仿真与测试的一致，这对噪声计算的信心增加了很多。有句话说： lowpower means understand more about noise，这句话是非常正确的，懂得了 噪声，你就知道怎么去简化电路，降低非关键电路的功耗，并且恰当地规划关键 电路的功耗。对电路也能够提出很多创新的地方出来，包括结构的创新。debug 完成之后，就开始做项目中的DAC 了，我马上对结构进行了全面的修改，减少 了没有必要的噪声源，同时合理规划噪声，降低了功耗。那个时候时间已经很紧 张了，但是完成这个电路的速度很快，最后还是赶上了项目进度，tapeout出去 了。不过项目也因为其它原因夭折了。一般人第一次都是不怎么敢创新的，都希 望求稳，但是我当时的想法却是，创新才是最稳妥的，对自己有足够的信心，牛 气十足。现在回过来看