使用模擬工具簡(jiǎn)化電路設計

我和同事在旅館酒吧閑聊了一天。之前，我們已經(jīng)會(huì )見(jiàn)了幾位客戶(hù)。我們都在思考著(zhù)一個(gè)問(wèn)題：我們會(huì )見(jiàn)的這些工程師怎么幾乎一點(diǎn)都不了解模擬技術(shù)呢。我認為，這些應屆畢業(yè)生設計工程師所掌握的模擬技術(shù)知識，與我們畢業(yè)時(shí)的前輩所了解的知識不同，僅此而已。我的同事卻說(shuō)：“如果他們不知道這些原理，而大學(xué)也不教授這些內容，那結果會(huì )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計原理圖嗎？”

我同事所指的這些原理并非只是運算放大器電路設計基礎等，而是大學(xué)課堂上沒(méi)有深入講解的一些內容：非理想組件、電路噪聲原因、誤差預算和誤差分析。

在設計周期更短、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)現更快速的產(chǎn)品設計。在設計過(guò)程中，他們需要對所使用的工具充滿(mǎn)信心，相信這些工具能夠指導他們正確地完成設計工作，因為他們可能并沒(méi)有相關(guān)的設計經(jīng)驗，也可能沒(méi)有接受過(guò)相關(guān)培訓。

這也就是半導體制造廠(chǎng)商經(jīng)常會(huì )涉足設計工具的原因。例如，TI的SwitcherPro便是一種幫助人們進(jìn)行開(kāi)關(guān)式電源設計的程序，而FilterPro則是一種有源濾波器設計程序。兩者都不是仿真器，而是設計生成工具。缺乏設計經(jīng)驗的工程師利用這些工具，可以幫助他們克服缺少經(jīng)驗的難題，而經(jīng)驗豐富的一些工程師使用這些工具則可以節省大量的時(shí)間。

20多年前，這些設計生成工具才開(kāi)始為人們所用?；叵氘斈?，我還是一個(gè)“菜鳥(niǎo)”工程師時(shí)，我的設計生成相關(guān)知識是從教科書(shū) ，Burr-Brown系列模擬手冊（現已絕版多年）或者我所推崇的《現代電子電路參考手冊》（一本3英寸厚的世界電子出版物電路摘要，有時(shí)稱(chēng)作電路“設計手冊”）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知識。

半導體制造廠(chǎng)商也會(huì )提供一些參考設計。這些設計已遠非基礎電路，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(gè)設計運行所需的固件或者軟件。毫無(wú)疑問(wèn)，利用這些參考設計或者設計指導電路，可以讓你更快速地開(kāi)始設計工作。

自20世紀70年代早期以來(lái)，SPICE一直都是電路設計人員工具箱中一種強大的工具。特別是對于集成電路的開(kāi)發(fā)更是如此，因為制造樣機的成本奇高無(wú)比，在轉入生產(chǎn)以前對電路的行為進(jìn)行模擬是電路設計中的一個(gè)巨大進(jìn)步。

它是如此的普遍，以至于大多數電子元器件制造廠(chǎng)商都會(huì )提供其器件的SPICE宏模型，以幫助電路板級設計人員在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(lái)的IBIS模型和軟件，可以讓PCB設計人員對其PCB設計的信號完整性進(jìn)行驗證。

在這兩種情況下，要注意說(shuō)的是電路“仿真”還是“驗證”。這些工具可以幫助你預測你已經(jīng)設計好的電路運行情況，但它們卻無(wú)法幫助你設計電路。盡管工程師仍然不得不自己對電路進(jìn)行設計，但仿真器卻可以告訴他們如何設計。

TI提供一種被稱(chēng)作TINA-TI的免費SPICE仿真器。如何最有效地使用這種程序呢，因為使用仿真器的經(jīng)驗并不一致，從專(zhuān)家到新手，各種層次都有。當TINA-TI沒(méi)有告知他們其電源反向連接運算放大器時(shí)，一些工程師會(huì )變得無(wú)所適從—仿真器會(huì )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(huì )讓你的PCB組件冒煙。

SPICE只不過(guò)是執行電路分析所需數學(xué)運算的一個(gè)計算機程序而已，其運算速度通常要比你用鉛筆和紙更快。“通常”是因為，SPICE非常擅長(cháng)于某些事情，如：線(xiàn)性電路，同時(shí)有些事情卻并不擅長(cháng)，如：一些現代電源中都會(huì )有的開(kāi)關(guān)電路。使用相當長(cháng)的時(shí)間來(lái)模擬開(kāi)關(guān)式電源有一個(gè)問(wèn)題：需要對已經(jīng)編寫(xiě)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(zhuān)用仿真器用于解決RF電路問(wèn)題。“仿真”涉及的應用極為寬泛，因此一種模擬解決方案可能并非一個(gè)完整系統模擬的最佳選擇。

盡管模擬有許多好處，在完成徹底誤差分析以前，電路或者系統設計均不完整。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行的影響情況。我們一般使用電子表格或者手動(dòng)計算方法來(lái)完成這項工作。將分析結果同要求比較，讓你相信所設計的電路在所有工作狀態(tài)和制造條件下均能夠滿(mǎn)足這些要求；或者，它會(huì )告訴你需要嘗試使用其它方法。

把所有這些不同工具—設計生成、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(gè)“專(zhuān)家系統”。只需使用電路的基本要求，這種系統便可以構成或者建議一個(gè)電路或者系統設計，然后允許對電路進(jìn)行模擬，并能通過(guò)改變電路組件值來(lái)對其進(jìn)行優(yōu)化。最后，電路誤差分析結束以后，便完成了對電路滿(mǎn)足各種要求的完整適用性評估。

現在，這種系統開(kāi)發(fā)方法正變成一種現實(shí)。在混頻信號IC設計領(lǐng)域，大型CAD供應商已經(jīng)在致力于這方面，以期縮短模擬時(shí)間。一些供應商將現有工具或者數學(xué)建模系統組合到一起，在更高層次嘗試這種設計方法。但是，把這些專(zhuān)家系統帶給電路板級和系統級設計人員的，可能會(huì )是半導體供應商及其應用工程師們。

德州儀器收購國家半導體公司最令人激動(dòng)的是，我們終于能夠一睹WEBENCH Designer工具套件的真容，它在許多方面都是我所描述的這種專(zhuān)家系統。它可以動(dòng)態(tài)生成特定要求的電路，計算組件值，進(jìn)行模擬（基于數學(xué)模型和SPICE）和優(yōu)化，并執行誤差分析。如前所述，在模擬世界需要學(xué)習的東西如此繁多，真謂“學(xué)無(wú)止境”。

此類(lèi)工具可能會(huì )成為電路板級和系統級設計人員工具箱中的主要工具。“拷貝你父輩的設計原理圖”沒(méi)有什么錯，前提是你擁有運用這些原理圖或者正確理解其底層設計原理的工具。這些工具應能夠指導你如何優(yōu)化電路，來(lái)解決你碰到的問(wèn)題，并能夠讓你知道將這些電路投入生產(chǎn)時(shí)會(huì )出現什么結果—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(shí)限內嘗試多種不同的方法。盡管還有路要走，但距離我們的目標已經(jīng)不遠了。