從非常宏觀的角度來看，芯片可以分成數字芯片和模擬芯片兩個大類。我之前寫過的幾乎所有和芯片相關的內容都是和數字芯片相關的，比如FPGA、CPU、GPU等等。這篇文章我們換換口味，來一起看一下和模擬芯片相關的一些有意思的內容。

模擬信號 vs 數字信號

模擬芯片和數字芯片的最主要的區別，就在于處理的信號不同。顧名思義，模擬芯片處理的是模擬信號，而數字芯片處理的是數字信號。這兩種信號類型有著非常明顯的區別，但也有著非常緊密的聯系。

如果從歷史的進程來看，人類了解并且使用模擬信號的時間，肯定長于數字信號。我們身處的環境里就充滿了模擬信號，比如我們人體的各種視覺聽覺觸覺等等的感知，還有外界環境的各種溫度、濕度、電磁波等等。事實上我們在很多領域也在使用模擬信號，比如很多年前我們用的磁帶和磁盤，還有現在很多顯示器上還有的VGA接口，其實都是使用的模擬信號。

模擬信號最主要的特點，就是它是連續變化的。也就是說，它的強度在一定的時間范圍內可以有無限多個不同的取值。

相比之下，數字信號的變化是不連續的，或者說是離散的。比如在計算機里我們就使用0和1兩個數，任何的邏輯功能和計算都可以通過0和1這兩個數的排列組合實現。和前面說的磁盤、磁帶還有VGA接口相比，現在我們用的flash閃存，還有這個HDMI接口等等，使用和處理的都是數字信號。

數字信號最大的好處就是能夠非常方便的進行存儲、傳輸和處理。因為它只需要處理0和1兩個數字，所以理論上你把它復制成千上萬份，它每一份的內容都是相同的。而且如果把它傳輸很遠的距離，只要它這個0和1的排列方式不變，它所代表的內容就是不變的。所以數字信號的這些特性，也是構建我們現代人類文明的基石。

但是這并不是說我們就不需要模擬信號了，就像前面說過的，我們的各種感官接收的都是模擬信號，我們所在的環境里自然存在的各種聲光電也是模擬信號，這些都需要模擬芯片來進行處理。所以我們不管是在手機，還是在汽車或者醫療設備里，都能看到非常多的模擬芯片。

模擬信號的“殺手”：電磁干擾

和數字信號相比，模擬信號的一個最大的問題就是容易受到干擾。如果我們把手機放在音箱旁邊，很有可能就會聽到嗶嗶的聲音，這個就是手機信號對播放器產生的干擾。從技術的角度看，這種干擾其實是電磁干擾，英文是Electromagnetic Interference，簡稱是EMI。簡單來說，它的本質就是和電磁感應有關。

值得注意的是，電磁感應在很多情況下是好事，可以說我們的日常生活中都充滿了電磁感應的應用，比如手機和各種無線通信設備里的天線，就是將接收到的電磁波轉換成電信號，或者把電信號轉換成電磁波發射出去。

但是在我們的實際電路中，在各種電路元件之間、以及導線上都會不斷發生各種電流電壓的變化，這樣其實也會由于電磁感應不斷產生各種電磁波，而這種電磁波對于我們的那些正常的電路功能來說是有害的，這也就是前面說的電磁干擾。

電磁干擾很可能會對關鍵的電路功能造成負面的影響。比如在醫療電子里我們肯定不希望在做手術的時候，那些測量生命體征的傳感器和電路受到電磁干擾而輸出錯誤的心跳呼吸血壓等等這些數據。

或者在我們開車的時候，我們也肯定不希望汽車里的那些電子系統——包括控制發動機的、控制剎車轉向的，還有控制各種雷達導航的電子系統受到電磁干擾而亂搞。所以通常在汽車和工業應用里，都有和電磁干擾EMI相關的行業標準。

電源管理芯片中的低EMI設計

我們再舉個例子，對于模擬芯片來說，它的一個非常重要的應用領域就是電源管理。比如對于模擬芯片的巨頭公司德州儀器來說，在它的整個產品組合里，電源管理芯片是非常重要的一部分。

電源管理芯片有很多種，比如直流/直流轉換，也就是DC/DC開關穩壓器，包括各種升壓降壓反相，還有交流和直流的轉換，當然還有很多其他的和電源相關的器件和芯片。毫不夸張的說，只要有電子設備存在的地方，就需要有電源管理芯片。

而且在一個完整的電子系統里，比如前面提到的汽車里，可能有很多不同的功能模塊，它們使用的電壓和功耗都不一定相同，所以在系統里還很可能存在許多個電源管理芯片。特別是現在ADAS技術的不斷發展，在汽車里集成了越來越多的傳感器、攝像頭、計算機之類的電子系統，所以對于電源管理的需求也在不斷增加。

但是，電源系統里的這些電壓電流的轉換，就會產生大量的電磁輻射，然后會反過來極大的影響和干擾電路其他部分的功能和可靠性。這就把我們推上了一個兩難的困境，比如對于一個醫療設備或者自動駕駛汽車來說。

我們一方面需要在有限的空間里塞進去更多的電子器件和系統，來完成更多的功能；另一方面，加進去的電子器件越多，驅動這些電路的的電源系統會產生更多的電磁輻射和干擾。

所以，在汽車和工業應用設計的電源系統里，通常都有著比較嚴格的關于電磁輻射的行業標準，來保證系統能夠正常運行。比如國際無線電干擾特別委員會的CISPR 25 Class 5標準，就對汽車環境下的低EMI設計提出了嚴苛的行業要求。為了滿足這些行業標準，模擬芯片工程師就需要不斷去探索和研發降低電磁輻射的方法，從而最大限度的減少開關電源對其他系統組件的干擾。

再拿TI德州儀器來舉例，他們在最新發布的兩個DC/DC控制器LM25149和LM25149-Q1里，就主要采用了兩個方法來降低電源芯片產生的電磁干擾。一個就是采用了有源濾波器，另外一個就是雙隨機展頻、也就是DRSS技術。

DRSS這個技術，結合了低頻三角調制以及高頻偽隨機調制這兩種調制方式，優化了低頻和高頻中EMI的性能。這部分內容比較抽象，在這篇文章里就不展開了。我們主要來看看這個有源濾波器。它的原理其實比較直觀，就是引入了一個有源濾波電路，它可以感應輸入總線上的電壓，并且產生相反的電流，來和電源開關產生的EMI電流相抵消，這樣就實現了對電磁輻射的濾波作用。

這個原理其實就類似于我們很多人都在用的主動降噪耳機。在降噪耳機里有一個傳感器可以采集和分析周圍環境里的那些噪聲，然后在耳機里產生相反的聲波，這樣就可以和噪聲的聲波相互抵消掉，從而達到降噪的目的。

事實上，這種濾波方式也可以使用無源濾波器來實現，這個也是傳統的低EMI設計通常采用的方法。但是無源濾波器非常大，甚至會占整個電源方案總體積的30%。所以在芯片內部集成有源濾波器之后，不但能夠對電磁輻射起到很好的消減作用，還能極大的減少器件的尺寸，這樣就實現了EMI和面積的雙重優化，進而降低成本，節省寶貴的電路空間。

根據TI的數據，在440 kHz頻率下，采用這種方案最多可以將前端EMI濾波器的面積和體積分別縮減近50%和75%以上，并且將EMI減少高達50dBuV。和采用典型無源濾波器的設計相比，集成式有源EMI濾波器的設計可以幫助將EMI減少20dBuV。此外，前面介紹的DRSS技術還能幫助在低頻和高頻頻帶上將EMI進一步降低5dBuV。

結語

事實上，這篇文章里的內容只是關于模擬芯片非常小的一部分。不過就算是管中窺豹，模擬IC的博大精深應該也可見一斑。

網上有很多人在討論模擬工程師和數字工程師哪個更高端、或者技術含量更高，也有很多學生朋友在糾結未來到底應該走哪條路，我也收到過很多類似的問題。我個人覺得數字模擬一直都是相輔相成、缺一不可的。比如雖然我主要做數字電路相關的工作，但是也會在工作中接觸到很多和模擬相關的內容，就像是文章里介紹的電源和電磁干擾等等。

知乎里有一個問題，就是問數字模擬電路芯片的區別，我想借用這里最高贊的回答，也是我的好兄弟Tyson說的一句話，不管是走那條路都需要平時不斷的積累和學習，我也會和大家一起努力加油成長。

編輯：jq