學(xué)習模擬集成電路的九個(gè)階段

　　一段你剛開(kāi)始進(jìn)入這行，對PMOS/NMOS/BJT什么的只不過(guò)有個(gè)大概的了解，各種器件的特性你也不太清楚，具體設計成什么樣的電路你也沒(méi)什么主意，你的電路圖主要看國內雜志上的文章，或者按照教科書(shū)上現成的電路，你總覺(jué)得他們說(shuō)得都有道理。你做的電路主要是小規模的模塊，做點(diǎn)差分運放，或者帶隙基準的仿真什么的你就計算著(zhù)發(fā)文章，生怕到時(shí)候論文湊不夠?？偟膩?lái)說(shuō)，基本上看見(jiàn)運放還是發(fā)怵。你覺(jué)得spice是一個(gè)非常難以使用而且古怪的東西。

　　二段你開(kāi)始知道什么叫電路設計，

　　天天捧著(zhù)本教科書(shū)在草稿紙上狂算一氣。你也經(jīng)常開(kāi)始提起一些技術(shù)參數，Vdsat、lamda、early voltage、GWB、ft之類(lèi)的?？傆X(jué)得有時(shí)候電路和手算得差不多，有時(shí)候又覺(jué)得差別挺大。你也開(kāi)始關(guān)心電壓，溫度和工藝的變化。例如低電壓、低功耗系統什么的?；蛘呤浅咚俑呔鹊氖裁礀|東，時(shí)不時(shí)也來(lái)上兩句。你設計電路時(shí)開(kāi)始計劃著(zhù)要去tape out，雖然tape out看起來(lái)還是挺遙遠的。這個(gè)階段中，你覺(jué)得spice很強大，但經(jīng)常會(huì )因為AC仿真結果不對而大傷腦筋。

　　三段你已經(jīng)和PVT斗爭了一段時(shí)間了，

　　但總的來(lái)說(shuō)基本上還是沒(méi)有幾次成功的設計經(jīng)驗。你覺(jué)得要設計出真正能用的電路真的很難，你急著(zhù)想建立自己的信心，可你不知道該怎么辦。你開(kāi)始閱讀一些JSSC或者博士論文什么的，可你覺(jué)得他們說(shuō)的是一回事，真正的芯片或者又不是那么回事。你覺(jué)得Vdsat什么的指標實(shí)在不夠精確，仿真器的缺省設置也不夠滿(mǎn)足你的要求，于是你試著(zhù)仿真器調整參數，或者試著(zhù)換一換仿真器，但是可它們給出的結果仍然是有時(shí)準有時(shí)不準。你上論壇，希望得到高手的指導?？伤麄円彩钦Z(yǔ)焉不詳，說(shuō)得東西有時(shí)對有時(shí)不對。這個(gè)階段中，你覺(jué)得spice雖然很好，但是幫助手冊寫(xiě)的太不清楚了。

　　四段你有過(guò)比較重大的流片失敗經(jīng)歷了。

　　你知道要做好一個(gè)電路，需要精益求精，需要戰戰兢兢的仔細檢查每一個(gè)細節。你發(fā)現在設計過(guò)程中有很多不曾設想過(guò)的問(wèn)題，想要做好電路需要完整的把握每一個(gè)方面。于是你開(kāi)始系統地重新學(xué)習在大學(xué)畢業(yè)時(shí)已經(jīng)賣(mài)掉的課本。你把能能找到的相關(guān)資料都仔細的看了一邊，希望能從中找到一些更有啟發(fā)性的想法。你已經(jīng)清楚地知道了你需要達到的電路指標和性能，你也知道了電路設計本質(zhì)上是需要做很多合理的折中?？赡愀悴磺暹@個(gè)“合理”是怎么確定的，不同指標之間的折中如何選擇才好。你覺(jué)得要設計出一個(gè)適當的能夠正常工作的電路真的太難了，你不相信在這個(gè)世界上有人可以做到他們宣稱(chēng)的那么好，因為聰明如你都覺(jué)得面對如此紛雜的選擇束手無(wú)策，他們怎么可能做得到?這個(gè)階段中，你覺(jué)得spice功能還是太有限了，而且經(jīng)常對著(zhù)"time step too small"的出錯信息發(fā)呆，偶爾情況下你還會(huì )創(chuàng )造出巨大的仿真文件讓所有人和電腦崩潰。

　　五段你覺(jué)得很多競爭對手的東西不過(guò)如此而已。

　　你開(kāi)始有一套比較熟悉的設計方法。但是你不知道如何更加優(yōu)化你手頭的工具。你已經(jīng)使用過(guò)一些別人編好的腳本語(yǔ)言，但經(jīng)常碰到很多問(wèn)題的時(shí)候不能想起來(lái)用awk或者perl搞定。你開(kāi)始大量的占用服務(wù)器的仿真時(shí)間，你相信經(jīng)過(guò)大量的仿真，你可以清楚地把你設計的模塊調整到合適的樣子。有時(shí)候你覺(jué)得做電路設計簡(jiǎn)直是太無(wú)聊了，實(shí)在不行的話(huà)，你在考慮是不是該放棄了。這個(gè)階段中，你覺(jué)得spice好是好，但是比起fast spice系列的仿真器來(lái)，還是差遠了;你開(kāi)始不相信AC仿真，取而代之的是大量的transient仿真。

　　六段你開(kāi)始明白在這個(gè)世界中只有最合適的設計，沒(méi)有最好的設計。

　　你開(kāi)始有一套真正屬于自己的設計方法，你會(huì )傾向于某一種或兩種仿真工具，并能夠熟練的使用他們評價(jià)你的設計。你開(kāi)始在設計中考慮PVT的變化，你知道一個(gè)電路從開(kāi)始到現在的演化過(guò)程，并能夠針對不同的應用對他們進(jìn)行裁減。你開(kāi)始關(guān)注功耗和面積，你tape out的芯片開(kāi)始有一些能夠滿(mǎn)足產(chǎn)品要求了。但是有時(shí)候你還是不能完全理解一些復雜系統的設計方法，并且犯下一些愚蠢的錯誤并導致災難性后果。你開(kāi)始閱讀 JSSC時(shí)不只是挑一兩片文章看看，或許把JSSC作為廁所讀物對你來(lái)說(shuō)是一個(gè)不錯的選擇。在這個(gè)階段中，你覺(jué)得spice是一個(gè)很偉大的工具，你知道如何在spice中對精度和速度做合理的仿真，并隨時(shí)做出最合適的選擇。

　　七段你開(kāi)始真正理解模擬電路設計的本質(zhì)，

　　無(wú)論對于高精度系統還是高速度系統都有自己獨有的看法和經(jīng)驗。你可以在系統級對不同的模塊指標進(jìn)行折中以換取最好的性能。你會(huì )了解一個(gè)潛在的市場(chǎng)并開(kāi)始自己的產(chǎn)品定義，并且你知道只要方法正確，你設計出的產(chǎn)品會(huì )具有很好的競爭力。你可以從容的從頭到腳進(jìn)行整個(gè)電路的功能和指標劃分，你了解里面的每一個(gè)技術(shù)細節和他們的折中會(huì )對于你的產(chǎn)品有怎樣的影響。你開(kāi)始關(guān)注設計的可靠性。在這個(gè)階段中，你覺(jué)得spice是一個(gè)很實(shí)用的工具，并喜歡上了蒙特卡洛仿真，但你還是經(jīng)常抱怨服務(wù)器太慢，雖然你經(jīng)常是在后半夜運行仿真。

　　八段這個(gè)時(shí)候成功的做出一個(gè)芯片對你來(lái)說(shuō)是家常便飯

　　，就象一名駕駛老手開(kāi)車(chē)一樣，遇到紅燈就停、綠燈就行。一個(gè)產(chǎn)品的設計對于你來(lái)說(shuō)幾乎都是無(wú)意識的。你不需要再對著(zhù)仿真結果不停的調整參數和優(yōu)化，更多時(shí)候之需要很少量的仿真就可以結束一個(gè)模塊的設計了。你能夠清楚地感覺(jué)到某一個(gè)指標的電路模塊在技術(shù)上是可能的還是不可能的。你完全不用關(guān)心具體模塊的噪聲系數或者信噪比或者失真度。你只需要知道它是可以被設計出來(lái)就可以了，更詳細的技術(shù)指標對你來(lái)說(shuō)毫無(wú)意義。你開(kāi)始覺(jué)得JSSC上的東西其實(shí)都是在湊數，有時(shí)候認為 JSSC即使作為廁紙也不合格(太薄太脆)。你覺(jué)得spice偶爾用用挺好的，但是實(shí)在是不可靠，很多的時(shí)候看看工作點(diǎn)就差不多夠了。

　　九段這時(shí)候的你對很多電路已經(jīng)料如指掌，

　　你可以提前預知很多技術(shù)下一輪的發(fā)展方向。一年你只跑上幾次仿真，也可能一仿真就是幾年。你很少有畫(huà)電路圖的時(shí)候，多數時(shí)間你在打高爾夫或是在太平洋的某個(gè)小島釣魚(yú)。除了偶爾在ISSCC上湊湊熱鬧，你從不和別人說(shuō)起電路方面的事，因為你知道沒(méi)人能明白。從復旦攻讀微電子專(zhuān)業(yè)模擬芯片設計方向研究生開(kāi)始到現在五年工作經(jīng)驗，已經(jīng)整整八年了，其間聆聽(tīng)過(guò)很多國內外專(zhuān)家的指點(diǎn)。最近，應朋友之邀，寫(xiě)一點(diǎn)心得體會(huì )和大家共享。我記得本科剛畢業(yè)時(shí)，由于本人打算研究傳感器的，后來(lái)陰差陽(yáng)錯進(jìn)了復旦逸夫樓專(zhuān)用集成電路與系統國家重點(diǎn)實(shí)驗室做研究生?，F在想來(lái)這個(gè)實(shí)驗室名字大有深意，只是當時(shí)惘然。電路和系統，看上去是兩個(gè)概念， 兩個(gè)層次。

　　我同學(xué)有讀電子學(xué)與信息系統方向研究生的，那時(shí)候知道他們是“系統”的， 而我們呢，是做模擬“電路”設計的，自然要偏向電路。而模擬芯片設計初學(xué)者對奇思淫巧的電路總是很崇拜，尤其是這個(gè)領(lǐng)域的最權威的雜志JSSC (IEEE Journal of solid state circuits)， 以前非常喜歡看， 當時(shí)立志看完近二十年的文章，打通奇經(jīng)八脈，總是憧憬啥時(shí)候咱也灌水一篇，那時(shí)候國內在此雜志發(fā)的文章鳳毛麟角， 就是在國外讀博士，能夠在上面發(fā)一篇也屬優(yōu)秀了。讀研時(shí)，我導師是鄭增鈺教授，李聯(lián)老師當時(shí)已經(jīng)退休，逸夫樓邀請李老師每個(gè)禮拜過(guò)來(lái)指導。鄭老師治學(xué)嚴謹，女中豪杰。李老師在模擬電路方面屬于國內先驅人物，現在在很多公司被聘請為專(zhuān)家或顧問(wèn)。 李老師在87年寫(xiě)的一本(運算放大器設計);即使現在看來(lái)也是經(jīng)典之作。李老師和鄭老師是同班同學(xué)，所以很要好，我自然相對于我同學(xué)能夠幸運地得到李老師的指點(diǎn)。李老師和鄭老師給我的培養方案是：先從運算放大器學(xué)起。所以我記得我剛開(kāi)始從小電流源開(kāi)始設計。那時(shí)候感覺(jué)設計就是靠仿真調整參數。但是我卻永遠記住了李老師語(yǔ)重心長(cháng)的話(huà)：運放是基礎，運放設計弄好了，其他的也就容易了。

　　當時(shí)不大理解，我同學(xué)的課題都是AD/DA，鎖相環(huán)等“高端”的東東，而李老師和鄭老師卻要我做“原始”的模塊，我僅有的在(固體電子學(xué)) (國內的垃圾雜志)發(fā)過(guò)的一篇論文就是軌到軌(rail-to-rail)放大器。 做的過(guò)程中很郁悶，非常羨慕我同學(xué)的項目，但是感覺(jué)李老師和鄭老師講的總有他們道理，所以我就專(zhuān)門(mén)看JSSC運放方面的文章，基本上近20多年的全看了。當時(shí)以為很懂這個(gè)了，后來(lái)工作后才發(fā)現其實(shí)還沒(méi)懂。所謂懂，是要真正融會(huì )貫通，否則塞在腦袋里的知識再多，也是死的。但是運算放大器是模擬電路的基石，只有根基扎實(shí)方能枝繁葉茂，兩位老師的良苦用心工作以后才明白。

　　總的來(lái)說(shuō)，在復旦，我感觸最深的就是鄭老師的嚴謹治學(xué)之風(fēng)和李老師的這句話(huà)。碩士畢業(yè)，去找工作，當時(shí)有幾個(gè)offer。 我師兄孫立平， 李老師的關(guān)門(mén)弟子，推薦我去新濤科技，他說(shuō)里面有個(gè)常仲元，魯汶天主教大學(xué)博士，很厲害。我聽(tīng)從師兄建議就去了。新濤當時(shí)已經(jīng)被IDT以8500萬(wàn)美金收購了，成為國內第一家成功的芯片公司。面試我的是公司創(chuàng )始人之一的總經(jīng)理Howard. C. Yang(楊崇和)。 Howard是Oregon StateUniversity 的博士，鎖相環(huán)專(zhuān)家。面試時(shí)他當時(shí)要我畫(huà)了一個(gè)兩級放大器帶Miller補償的， 我很熟練。他說(shuō)你面有個(gè)零點(diǎn)，我很奇怪，從沒(méi)聽(tīng)過(guò)，云里霧里，后來(lái)才知道這個(gè)是Howard在國際上首先提出來(lái)的， 等效模型中有個(gè)電阻，他自己命名為楊氏電阻。 當時(shí)出于禮貌，不斷點(diǎn)頭。不過(guò)他們還是很滿(mǎn)意，反正就這樣進(jìn)去了。我呢，面試的惟一的遺憾是沒(méi)見(jiàn)到常仲元， 大概他出差了。進(jìn)入新濤后，下了決心準備術(shù)業(yè)有專(zhuān)攻。

　　因為本科和研究生時(shí)喜歡物理，數學(xué)和哲學(xué)，花了些精力在這些上面。工作后就得真刀真槍的干了。每天上班仿真之余和下班后，就狂看英文原版書(shū)。第一本就是現在流行的Razavi的那本書(shū)。讀了三遍。感覺(jué)大有收獲。那時(shí)候在新濤，初生牛犢不怕虎，應該來(lái)說(shuō)，我還是做得很出色的，因此得到?？偟馁p識，被他評價(jià)為公司內最有potential的人。

　　偶爾?？倳?huì )過(guò)來(lái)指點(diǎn)一把，別人很羨慕。其實(shí)我就記住了?？傆写瘟奶鞎r(shí)給我講的心得， 他大意是說(shuō)做模擬電路設計有三個(gè)境界：第一是會(huì )手算，意思是說(shuō)pensile-to-paper， 電路其實(shí)應該手算的，仿真只是證明手算的結果。第二是，算后要思考，把電路變成一個(gè)直觀(guān)的東西。 第三就是創(chuàng )造電路。 我大體上按照這三部曲進(jìn)行的。Razavi的那本書(shū)后面的習題我仔細算了。公司的項目中，我也力圖首先以手算為主， 放大器的那些參數，都是首先計算再和仿真結果對比。

　　久而久之，我手計算的能力大大提高，一些小信號分析計算，感覺(jué)非常順手。這里講一個(gè)小插曲，有一次在一個(gè)項目中，一個(gè)保護回路AC仿真總不穩定， 調來(lái)調去，總不行，這兒加電容，那兒加電阻，試了幾下都不行，就找?？偭?。因為這個(gè)回路很大，所以感覺(jué)是瞎子摸象。?？傄贿^(guò)來(lái)三下五除二就擺平了， 他仔細看了，然后就導出一個(gè)公式，找出了主極點(diǎn)和帶寬表達式。通過(guò)這件事，我對?？偱宸梦弩w投地， 同時(shí)也知道直觀(guān)的威力。所以后來(lái)看書(shū)時(shí)，都會(huì )仔細推導書(shū)中的公式，然后再直觀(guān)思考信號流， 不直觀(guān)不罷手。一年多下來(lái)， 對放大器終于能夠透徹理解了，感覺(jué)學(xué)通了， 通之后發(fā)現一通百通。

　　最后總結：放大器有兩個(gè)難點(diǎn)，一個(gè)是頻率響應，一個(gè)是反饋。其實(shí)所謂電路直觀(guān)，就是用從反饋的角度來(lái)思考電路。每次分析了一些書(shū)上或者JSSC上的“怪異”電路后，都會(huì )感嘆：反饋呀，反饋!然后把分析的心得寫(xiě)在paper上面。學(xué)通一個(gè)領(lǐng)域后再學(xué)其他相關(guān)領(lǐng)域會(huì )有某種“加速”作用。 ?？偟姆绞绞敲看巫鲆粋€(gè)新項目時(shí)，讓下面人先研究研究。我在離開(kāi)新濤前，做了一個(gè)鎖相環(huán)。 我以前沒(méi)做過(guò)，然后就把我同學(xué)的碩士論文，以及書(shū)和很多paper弄來(lái)研究，研究了一個(gè)半月，?？傔^(guò)來(lái)問(wèn)我：鎖相環(huán)的3dB帶寬弄懂了吧? 我笑答：早就弄懂了。我強大的運放的頻率響應知識用在鎖相環(huán)上，小菜了。我這時(shí)已經(jīng)去研究高深的相位噪聲和jitter了。之后不久，一份30多頁(yè)的英文研究報告發(fā)出來(lái)，?？偞蠹淤澷p!。

　　后來(lái)在COMMIT時(shí)，有個(gè)項目是修改一個(gè)RF Transceiver芯片， 使之從WCDMA到TD-SCDMA。里面有個(gè)基帶模擬濾波器。我以前從沒(méi)接觸過(guò)濾波器，就花了兩個(gè)月時(shí)間，看了三本英文原版書(shū)，第一本有900多頁(yè)，和N多paper， 一下子對整個(gè)濾波器領(lǐng)域，開(kāi)關(guān)電容的，GmC的，Active RC的都懂了。提出修改方案時(shí)， 由于我運放根基扎實(shí)，看文章時(shí)對于濾波器信號流很容易懂，所以很短時(shí)間就能一個(gè)人提出芯片電路原理分析和修改方案。最后報告寫(xiě)出來(lái)(也是我的又一個(gè)得意之作)，送給TI. TI那邊對這邊一下子肅然起敬，Conference call時(shí)， 他們首先說(shuō)這份報告是“Great job!”，我英文沒(méi)聽(tīng)懂，Julian對我夸大拇指，說(shuō)“他們對你評價(jià)很高呢”。后來(lái)去Dallas， TI那邊對我們很尊敬， 我做報告時(shí)，很多人來(lái)聽(tīng)。

　　總之，現在知道，凡事情，基礎很重要，基礎扎實(shí)學(xué)其他的很容易切入， 并且越學(xué)越快。我是02年 11月去的COMMIT，當時(shí)面試我的也是我現在公司老板Julian。 Julian問(wèn)我：你覺(jué)得SOC (system on chip)設計的環(huán)節在哪兒? 我說(shuō)：應該是模擬電路吧，這個(gè)比較難一些。Julian說(shuō)錯了，是系統。我當時(shí)很不以為然， 覺(jué)得模擬電路工程師應該花精力在分析和設計電路上。 Julian后來(lái)自己run了現在這公司On-Bright，把我也帶來(lái)， 同時(shí)也從TI拉了兩個(gè)，有一個(gè)是方博士。我呢，給Julian推薦了朱博士。這一兩年，我和朱博士對方博士佩服得五體投地。方博士是TI華人里面的頂級高手， 做產(chǎn)品能力超強。On-Bright現在做電源芯片，我和朱博士做了近兩年，知道了系統的重要性。芯片設計最終一定要走向系統， 這個(gè)是芯片設計的第四重境界。

　　電路如同磚瓦，系統如同大廈。芯片設計工程師一定要從系統角度考慮問(wèn)題，否則就是只見(jiàn)樹(shù)木，不見(jiàn)森林。電源芯片中，放大器，比較器都是最最普通的， 其難點(diǎn)在于對系統的透徹理解。在On-Bright，我真正見(jiàn)識了做產(chǎn)品，從定義到設計，再到debug， 芯片測試和系統測試，最后到RTP(release to production)。 Julian把TI的先進(jìn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程和項目管理方式引入On-Bright，我和朱博士算是大開(kāi)眼界，也知道了做產(chǎn)品的艱辛。產(chǎn)品和學(xué)術(shù)是兩片天地，學(xué)術(shù)可以天馬行空，做出一個(gè)樣品就OK了。

　　產(chǎn)品開(kāi)發(fā)是一個(gè)系統工程，牽涉到方方面面的工作，N多的人一起協(xié)作，最終才能使產(chǎn)品成功推向市場(chǎng)。芯片領(lǐng)域，我以前非常崇拜學(xué)術(shù)界牛人， 現在發(fā)現工業(yè)界水平還是較學(xué)術(shù)界領(lǐng)先， 朱博士說(shuō)他以前在瑞士理工黃秋亭(IEEE的著(zhù)名Fellow)那兒做過(guò)半年研究， 當時(shí)很崇拜黃，現在發(fā)現方博士水平更高。所以就像(天龍八部)中，一個(gè)無(wú)名掃地老僧是頂級高手。但無(wú)論工業(yè)界還是學(xué)術(shù)界，這四重境界卻是共同的， 每個(gè)模擬芯片設計者都應該一步一步腳踏實(shí)地，逐次跨越這四重境界。