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21世纪的模拟设计:挑战、工具以及IC进步

Steve Taranovich EDN特约技术编辑?? 2012年03月29日 ?? 收藏0
要点

1.关键的决策包括:IC放在电路板上的位置, 铜线的走位与厚度,元件布放的位置,以及邻近电路可能对性能的影响。

2.模拟软件工具将减少模拟电路架构的设计时间。

3.模拟芯片设计者可以采用不同方案提高能效,可以选择最佳CMOS技术,也可以采用智能的系统级设计。

4.在实现电源转换的差异化和自适应功能方面,模拟控制器要比数字控制器有更多的困难。

我们进入21世纪已经有十多年时间,电子领域正进行着前所未有的快速技术创新。晶体管与IC(或微芯片)的发展是导火索,造就了如今电子领域的创新大爆炸。自从上世纪70年代初期微芯片得到广泛应用以来,出现了比以往任何时候都多的科技突破,创新成果的出现频率更高了。这一浪潮主要归结于尺寸日益缩小而密度逐渐增加的硅晶圆所带来的性能与计算能力。

让我们看看模拟世界的水晶球,看是什么拯救了模拟设计师们,帮他们控制各种变量,电路约束条件的极度敏感情况,以及结果的质量,使得模拟设计更像一种艺术形式而不是一门科学(参考文献1)。

模拟挑战

从系统级开始,你会发现系统的大部分组成是硅元件(参考文献2)。这一趋势的一个好例子是英特尔公司的Huron River移动平台,它包括了Sandy Bridge微处理器和CougarPoint PCH(平台中心控制器)。今天平台的信号速度在单端DDR3上可达1600Mbps,而对差分PCIe Generation2则能达5Gbps。系统中典型PCB材料有性能限制,需要先进的模拟设计复杂性来克服这些局限。模拟设计者通常会将接口芯片用于一根跨越主板PCB上的信号走线,如德州仪器(TI)公司的DS25BR204 LVDS(低压差分信令)转发器,发射器端内置了预加重,而接收器端则有均衡功能。另外对模拟电路设计者形成挑战的是对节约能耗和硅芯片面积的需求。

另外一个影响模拟电路的因素是混合信号域,它主要是在时序收敛域中观测。随着信号速度的增加,时钟与时钟序的预算也在不断缩小。这种状况也增加了电路缺陷的风险(参考文献2)。

虽然PCB布局性质很关键,尤其是对高速电路,但它经常是设计过程中的最后几步之一。这就像房地产一样,位置决定一切。关键性决策包括:在电路板何处布放一枚IC、铜走线的位置与厚度、何处布放元件,以及其它邻近电路对性能的影响等。很多设计者都依赖于IC供应商的评估板和数据表,以将一只芯片正确地整合到一块覆铜的玻璃纤维PCB板上。另外还要查看IC供应商的白皮书。

设计工具

德州仪器收购美国国家半导体有望提供更强大的模拟设计工具。美国国家半导体公司的Webench Designer可在数秒内创建和展示所有可能满足设计需求的功率、照明或传感电路。这个特性使用户能够在系统级和供应链级做基于价值的比较,然后再做成一个设计。德州仪器公司Webench设计经理Phil Gibson表示,目标是让工具更可视化、更容易使用,更直观。Webench能引领模拟设计者,从概念到选择元件,直到订购面包板用的元件。还有更多值得等待的工具,它们充分利用了这些公司专家联合的“云”。德州仪器与美国国家半导体将整合起各自广博的产品组合,成为现在的新型工具(图1)。

图1,原美国国家半导体公司开发的Webench Designer工具包括强大的软件算法以及虚拟界面,可为电源、照明和传感应用提供简便的设计。
图1,原美国国家半导体公司开发的Webench Designer工具包括强大的软件算法以及虚拟界面,可为电源、照明和传感应用提供简便的设计。

采用定制模拟设计的精密传感系统要花数周(甚至数月)时间做设计。对重要的开发系统,从IP(知识产权)到原型,从测试到编写系统算法,设计者不能简化开发与生产周期。德州仪器与美国国家半导体公司的传感器模拟前端系统与IC提供了一种集成化的软硬件开发平台,使电路设计者能够快速地在线创建出一个设计,按自己需求做配置,并快速地完成它的原型制造。

用德州仪器的INA-CMV-Calc(仪表放大器共模电压计算器)做一个似乎很简单的输入信号共模范围计算,就可以为设计者节省下宝贵的设计时间。用这个简单的电子表式计算器可以避免很多常见的仪器放大器设计问题。

Analog Devices公司也已改进了自己支持设计工程师的网站,更强调了技术方面的内容。这种支持包括Engineer Zone在线技术支持社区。该公司也提供RF工具,如ADIsimRF,这是一种易于使用的RF信号链计算器,可计算出级联增益、噪声背景、三阶交调截取点、1dB增益压缩以及总功耗。用户可以在发射模式和接收模式之间切换计算器,从而分别完成针对输出和针对输入的计算。该公司的Circuits from the Lab列出了经过验证的参考设计,设计者可以充分信赖它们的性能。

在放大器方面,Intersil公司提供iSim有源低通滤波器工具,这是由该公司高级应用经理Michael Steffes开发的。Steffes最近更新了该产品,包含了一个非反相设计工具,以及用于反相的设计算法,两者很快都可供使用。这些工具也许看似简单。但是,模型中与器件中的反相输入电容会与电阻值相互作用,从而产生频率响应问题,而这个工具可以帮助解决这类问题。

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