集成電路 (IC) 自 20 世紀 50 年代末推出以來一直統治著電子行業。所有跡象都表明這些小表示將繼續主導市場，尤其是模擬 IC 設計多年來變得越來越重要。

盡管如此，當大多數人想到 IC 時，他們會想到計算機處理器或微控制器等數字電路。這篇文章應該有助于糾正這個問題。我們將回顧模擬 IC 的性質，回顧這些電路的一些應用領域，最后研究設計它們的獨特要求和挑戰。

什么是模擬IC？

在我們開始討論模擬 IC 設計之前，我們需要定義“模擬”。

模擬信號在時間上是連續的并且具有無限范圍的值。自然界中發現的所有信號，從聲波到腦電波，都是模擬信號。另一方面，數字信號隨著時間的推移是離散的，并且在任何給定時間只能是一定數量的狀態之一。圖 1 提供了兩種信號類型的比較。

模擬 IC 是產生或放大模擬信號而不是數字信號的集成電路。

模擬IC的應用

現在我們知道什么是模擬 IC，圖 2 顯示了它們的使用領域。

如您所見，模擬 IC 具有多種應用。讓我們按類別來看看它們。

一、控制

為了控制電路操作，模擬電路根據傳感器值創建信號。模擬電路廣泛使用一種稱為反饋的技術，其中電路輸出值在電路內反饋，以根據其自身值調整輸出。

二、數據轉換

某些應用（例如播放或錄制音頻）需要將數字信號與模擬信號相互轉換。用于實現此目的的電路必須包含模擬電路以測量模擬信號。

假設您想在手機上播放一些音樂。要生成通過手機揚聲器播放的音頻，代表聲音的數字數據需要轉換為實際的聲波。由于聲波是模擬信號，這意味著信號從數字域切換到模擬域。

這是通過稱為數模轉換器(DAC)的電路來執行的。相反，錄制音頻需要將模擬信號（正在錄制的音頻）轉換為數字信號，因此需要使用模數轉換器 (ADC)。DAC 和 ADC 都需要特殊的數字和模擬電路，以實現高性能，同時保持合理的功耗。

三、功率

所有電路都需要功率調節，以確保它們接收正確的電壓和電流以實現正常運行。電源可能會產生噪音或出現故障，這可能會妨礙甚至破壞電氣系統。這就是為什么有必要包含電力電子設備，通過提供自動關閉和/或與電源隔離等安全功能，防止電路受到損害。

這些電源調節電路可以將墻壁插座的交流電轉換為低壓直流電。它們還可以執行直流到直流轉換以產生不同值的電壓。此外，它們還可以利用能量收集將太陽能、射頻或輻射能轉換為直流電源電壓。

四、通信

雖然通過電纜傳輸的數據通常被認為是數字的，但實際上它本質上是模擬的。模擬電路提供了通過電纜發送數據的驅動能力，并且具有足夠的電量以便在另一側可讀。接收端還必須具有傳感放大器，可以從發送器讀取數據并將其轉換回滿量程數字信號。

模擬電路的數據傳輸應用并不限于有線通信——無線數據傳輸中使用的收發器包含許多模擬電路。這些功能用于生成和測量電磁波，使收發器能夠遠距離傳輸所需的數據，并將射頻信號轉換為全量程數字信號。

五、儀器儀表和物理世界接口

為了感知現實世界的信號或生成必須與現實世界交互的信號，有必要產生連續時間的信號。根據定義，這意味著使用模擬電路。

精密測試和測量設備需要高性能模擬電路，能夠將傳感器輸出信號高精度地轉換為可讀電壓。這使得電壓可以轉換為數字信號。模擬 IC 用作各種儀器的組件，從檢測輸入電壓和電流的數字萬用表到檢測感應電容器值變化的加速度計。

六、計算

數字電路仍然統治著這個領域，但模擬電路也可以執行高效的計算。具有最高計算性能的模擬電路是你的大腦，而執行模擬計算的電子電路通常試圖復制人腦的操作。這是目前研究的一個大課題。

模擬 IC 設計要求

當工程師設計數字電路時，他們主要關心兩個設計特性：功耗和處理速度。這兩個變量通常相互矛盾——設計人員必須針對其特定應用在兩者之間找到最佳平衡。對于模擬電路設計人員來說，還有更多的考慮因素需要考慮，正如我們將在本節中看到的。

圖 3 中的圖表通常稱為模擬設計八角形，是由加州大學洛杉磯分校的Behzad Rezavi設計，說明了模擬設計人員在創建規范或評估已設計電路的性能時必須考慮的指標。

由于功耗和速度是模擬電路和數字電路之間的共享指標，因此我們不會在這里討論它們。然而，我們將檢查設計八邊形上的其他點。

一、噪音

噪聲（無論是由電路產生的，還是以來自自然界的無法消除的不需要的信號的形式產生的）是模擬電路的一個大問題。模擬電路組件會產生不可忽略的噪聲值，這些噪聲值會增加到感興趣的真實信號中，從而損害信號完整性。

由于其高速開關，數字電路可以提供足夠大的噪聲，足以破壞模擬電路信號輸出。然而，模擬電路的設計可以“濾除”不需要的噪聲。設計師應該注意這一點。

二、線性度和增益

模擬電路主要由放大器組成，包括我們都知道和喜愛的運算放大器。假設理想的運算放大器具有無限增益，為了使運算放大器的運行盡可能接近理想狀態，放大器增益（輸出與輸入之比）必須最大化。

同時，線性度定義為電路的傳遞函數在整個工作范圍內盡可能保持線性的能力。完美線性電路在輸入范圍底部和頂部的工作方式相同。這是理想的，因為它允許簡單地處理數據。如果電路是非線性的，則需要進行復雜的后處理，否則將導致讀取錯誤的數據。

三、電源電壓和電壓擺幅

模擬電路設計人員還必須確保電源電壓具有足夠的值來滿足所需的輸出電壓擺幅。該電路還必須能夠感測并產生規定級別的輸入和輸出電壓。電源電壓可以實現這一點。

四、輸入/輸出阻抗

輸入和輸出阻抗在數據傳輸應用中尤其重要。通信線路必須具有匹配的阻抗，以最大限度地減少反射信號，否則可能會破壞傳輸的數據信號。

由于必須考慮如此多的指標，模擬電路仍然主要是手工創建的。數字電路設計是高度自動化的，利用硬件描述語言可以從代碼生成物理電路布局。

此外，雖然晶體管尺寸根據摩爾定律不斷減小，但模擬電路無法像數字電路一樣充分利用這些先進節點。今天的數字電路采用 3 納米工藝制造，并且可能會變得更小。相比之下，模擬電路目前設計在 65 nm 至 28 nm 范圍內。

晶體管的縮小會導致高階寄生效應，這對模擬電路來說是一個困擾，盡管它們不會極大地影響數字性能。因此，模擬IC從一個技術節點到另一個技術節點需要更多的時間。

如何設計一個模擬IC

模擬 IC 設計與數字 IC 設計有很大不同。數字 IC 設計主要在抽象級別上完成，系統和流程決定門級/晶體管級布局和布線的具體情況，而模擬 IC 設計通常涉及對每個電路更加個性化的關注，甚至每個晶體管電路的尺寸和具體情況。

此外，許多代工工藝主要是為具有模擬功能的數字 IC 開發的，這要求模擬 IC 設計人員考慮更適合數字 IC 的工藝限制和功能。

一、設計規范

模擬設計團隊通常從一組規格和功能開始，就像數字 IC 設計一樣。從那里，各種功能的功能模型被用來進一步縮小約束范圍，并導致對設備尺寸、類型和其他工藝特征的決策。這可能包括晶體管選擇、高級布局規劃、電感器和電容器技術的包含，以及 IC 和子電路所需的品質因數。

架構硬件描述語言（AHDL），例如VHDL-AMS，用于執行高層仿真并確定子塊的約束。盡管模擬設計人員也經常為其子電路設計開發測試臺，但在此階段也可以開發一個測試臺，然后用于仿真。

二、子電路設計、物理布局和仿真

有了這些細節并根據模擬電路的復雜性，模擬設計團隊通常會將子電路設計分配給個人。進行理想化的宏觀測量，進一步確定子電路的約束和性能預期。

接下來，這些宏觀原理圖被分解為帶有根據晶圓廠流程建模的電路元件的原理圖。對這些電路進行仿真和優化，然后開始物理布局過程。在寄生參數提取和布局后仿真之前完成布局和布線，然后進行設計規則檢查 (DRC) 以及布局與原理圖的比較。

布局后仿真可能會揭示設計中的缺陷，并且可能需要重新設計、布局和仿真的迭代過程才能滿足最終設計目標并提交 IC 進行流片。在整個芯片布局和仿真之前，子電路也可能經歷自己的設計、布局和仿真過程，盡管任何一種方法都可能導致需要在流片之前重新設計電路。

以下是模擬 IC 設計流程的抽象級別：功能性、行為的、宏、電路、晶體管和物理布局。

與模擬 IC 設計相關的具體步驟可細分如下：

設計規范：規格、約束條件、拓撲結構和測試臺開發

流程示意圖：系統級原理圖入口、架構 HDL 模擬、塊 HDL 規范、電路級原理圖入口和電路仿真與優化

物理流：基于PCell的布局輸入、設計規則檢查（DRC）、布局與原理圖 (LVS)、寄生提取、布局后模擬和流片。

寫在最后

隨著我們周圍最近的進步使系統更加強大，自動化電子設備開始出現。如果沒有將物理世界連接到電子設備的介質，這些物聯網、工業自動化和其他許多應用程序就不可能實現，而電子設備正是模擬設計發揮作用的地方。

此外，如果沒有可以運行軟件應用程序的硬件，那么軟件應用程序就沒有任何意義，而硬件本身就在不同領域創造了很多機會。還有其他一些觀點激勵我們繼續努力，以實現創建具有盡可能多功能的盡可能小尺寸的設備的目標。

隨著系統變得越來越復雜，不斷閱讀世界上發生的最新進展并了解最新進展（無論是與工具相關還是與個人理解相關）也變得越來越重要。記住模擬設計的基本原理在這里也發揮著重要作用，這也為復雜設計的思考奠定了基礎。

審核編輯：湯梓紅