利用模擬工具優(yōu)化電路設(shè)計(jì)

我們都在思考著一個問題：我們會見的這些工程師怎么幾乎一點(diǎn)都不了解模擬技術(shù)呢。我認(rèn)為，這些應(yīng)屆畢業(yè)生設(shè)計(jì)工程師所掌握的模擬技術(shù)知識，與我們畢業(yè)時的前輩所了解的知識不同，僅此而已。我的同事卻說：“如果他們不知道這些原理，而大學(xué)也不教授這些內(nèi)容，那結(jié)果會怎么樣呢?這些新畢業(yè)的工程師注定只能去找他們的前輩拷貝一份模擬設(shè)計(jì)原理圖嗎?”

我同事所指的這些原理并非只是運(yùn)算放大器電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等，而是大學(xué)課堂上沒有深入講解的一些內(nèi)容：非理想組件、電路噪聲原因、誤差預(yù)算和誤差分析。

在設(shè)計(jì)周期更短、資源更少、全球競爭更加激烈的情況下，工程師們需要有效利用手邊的各種工具，幫助實(shí)現(xiàn)更快速的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，他們需要對所使用的工具充滿信心，相信這些工具能夠指導(dǎo)他們正確地完成設(shè)計(jì)工作，因?yàn)樗麄兛赡懿]有相關(guān)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，也可能沒有接受過相關(guān)培訓(xùn)。

這也就是半導(dǎo)體制造廠商經(jīng)常會涉足設(shè)計(jì)工具的原因[1]。例如，TI 的 SwitcherPro [2] 便是一種幫助人們進(jìn)行開關(guān)式電源設(shè)計(jì)的程序，而 FilterPro [3] 則是一種有源濾波器設(shè)計(jì)程序。兩者都不是仿真器，而是設(shè)計(jì)生成工具。缺乏設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的工程師利用這些工具，可以幫助他們克服缺少經(jīng)驗(yàn)的難題，而經(jīng)驗(yàn)豐富的一些工程師使用這些工具則可以節(jié)省大量的時間。

20多年前，這些設(shè)計(jì)生成工具才開始為人們所用?；叵氘?dāng)年，我還是一個“菜鳥”工程師時，我的設(shè)計(jì)生成相關(guān)知識是從教科書那里了解到的。

模擬領(lǐng)域是如此的廣闊，以至于很少有人能夠熟悉其所有分支，因此學(xué)習(xí)前人的電路是必要的，前提是只要你掌握了電路分析的基礎(chǔ)知識。

半導(dǎo)體制造廠商也會提供一些參考設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)已遠(yuǎn)非基礎(chǔ)電路，它們包括了完整的材料清單和印刷電路板 (PCB) 布局，可能還包含了讓整個設(shè)計(jì)運(yùn)行所需的固件或者軟件。毫無疑問，利用這些參考設(shè)計(jì)或者設(shè)計(jì)指導(dǎo)電路，可以讓你更快速地開始設(shè)計(jì)工作。

自 20 世紀(jì) 70 年代早期以來，SPICE [5] 一直都是電路設(shè)計(jì)人員工具箱中一種強(qiáng)大的工具。特別是對于集成電路的開發(fā)更是如此，因?yàn)橹圃鞓訖C(jī)的成本奇高無比，在轉(zhuǎn)入生產(chǎn)以前對電路的行為進(jìn)行模擬是電路設(shè)計(jì)中的一個巨大進(jìn)步。

它是如此的普遍，以至于大多數(shù)電子元器件制造廠商都會提供其器件的 SPICE 宏模型，以幫助電路板級設(shè)計(jì)人員在 PCB 投入制造以前對其電路進(jìn)行模擬。從 SPICE 模型發(fā)展而來的 IBIS 模型和軟件，可以讓 PCB 設(shè)計(jì)人員對其 PCB 設(shè)計(jì)的信號完整性進(jìn)行驗(yàn)證[6]。

在這兩種情況下，要注意說的是電路“仿真”還是“驗(yàn)證”。這些工具可以幫助你預(yù)測你已經(jīng)設(shè)計(jì)好的電路運(yùn)行情況，但它們卻無法幫助你設(shè)計(jì)電路。盡管工程師仍然不得不自己對電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，但仿真器卻可以告訴他們?nèi)绾卧O(shè)計(jì)。

TI 提供一種被稱作 TINA-TI [7] 的免費(fèi) SPICE 仿真器。如何最有效地使用這種程序呢，因?yàn)槭褂梅抡嫫鞯慕?jīng)驗(yàn)并不一致，從專家到新手，各種層次都有。當(dāng)TINA-TI 沒有告知他們其電源反向連接運(yùn)算放大器時，一些工程師會變得無所適從—仿真器會不知道嗎?答案是否定的，仿真器不知道那樣做是錯誤的，也不知道那樣做會讓你的 PCB 組件冒煙。

SPICE 只不過是執(zhí)行電路分析所需數(shù)學(xué)運(yùn)算的一個計(jì)算機(jī)程序而已，其運(yùn)算速度通常要比你用鉛筆和紙更快。“通常”是因?yàn)?，SPICE非常擅長于某些事情，如：線性電路，同時有些事情卻并不擅長，如：一些現(xiàn)代電源中都會有的開關(guān)電路。使用相當(dāng)長的時間來模擬開關(guān)式電源有一個問題：需要對已經(jīng)編寫好的模擬程序進(jìn)行優(yōu)化，用以對這些電源電路進(jìn)行模擬。

其它專用仿真器用于解決 RF 電路問題。“仿真”涉及的應(yīng)用極為寬泛，因此一種模擬解決方案可能并非一個完整系統(tǒng)模擬的最佳選擇。

盡管模擬有許多好處，在完成徹底誤差分析以前，電路或者系統(tǒng)設(shè)計(jì)均不完整。這需要考慮組件和環(huán)境的所有非理想特性，并確定它們對電路運(yùn)行的影響情況。我們一般使用電子表格或者手動計(jì)算方法來完成這項(xiàng)工作。將分析結(jié)果同要求比較，讓你相信所設(shè)計(jì)的電路在所有工作狀態(tài)和制造條件下均能夠滿足這些要求;或者，它會告訴你需要嘗試使用其它方法。

把所有這些不同工具—設(shè)計(jì)生成、模擬(可能使用幾種不同的模擬引擎)和誤差分析—組合到一起成為一種工具，便形成了一個“專家系統(tǒng)”。只需使用電路的基本要求，這種系統(tǒng)便可以構(gòu)成或者建議一個電路或者系統(tǒng)設(shè)計(jì)，然后允許對電路進(jìn)行模擬，并能通過改變電路組件值來對其進(jìn)行優(yōu)化。最后，電路誤差分析結(jié)束以后，便完成了對電路滿足各種要求的完整適用性評估。

現(xiàn)在，這種系統(tǒng)開發(fā)方法正變成一種現(xiàn)實(shí)。在混頻信號 IC 設(shè)計(jì)領(lǐng)域，大型 CAD供應(yīng)商已經(jīng)在致力于這方面，以期縮短模擬時間[8]。一些供應(yīng)商將現(xiàn)有工具或者數(shù)學(xué)建模系統(tǒng)組合到一起，在更高層次嘗試這種設(shè)計(jì)方法。但是，把這些專家系統(tǒng)帶給電路板級和系統(tǒng)級設(shè)計(jì)人員的，可能會是半導(dǎo)體供應(yīng)商及其應(yīng)用工程師們。

德州儀器收購國家半導(dǎo)體公司最令人激動的是，我們終于能夠一睹WEBENCH® Designer工具套件[9]的真容，它在許多方面都是我所描述的這種專家系統(tǒng)。它可以動態(tài)生成特定要求的電路，計(jì)算組件值，進(jìn)行模擬(基于數(shù)學(xué)模型和SPICE)和優(yōu)化，并執(zhí)行誤差分析。如前所述，在模擬世界需要學(xué)習(xí)的東西如此繁多，真謂“學(xué)無止境”。

此類工具可能會成為電路板級和系統(tǒng)級設(shè)計(jì)人員工具箱中的主要工具。“拷貝你父輩的設(shè)計(jì)原理圖”沒有什么錯，前提是你擁有運(yùn)用這些原理圖或者正確理解其底層設(shè)計(jì)原理的工具。這些工具應(yīng)能夠指導(dǎo)你如何優(yōu)化電路，來解決你碰到的問題，并能夠讓你知道將這些電路投入生產(chǎn)時會出現(xiàn)什么結(jié)果—并且要能夠足夠快地完成這些工作，這樣你才能在允許的時限內(nèi)嘗試多種不同的方法。盡管還有路要走，但距離我們的目標(biāo)已經(jīng)不遠(yuǎn)了。

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