模擬設計為工程師軟肋，教育缺失是根本

分析2304份有效調查問(wèn)卷發(fā)現，工程師認為最具挑戰性的設計前五位分別為EMI/EMC設計、射頻設計、低噪聲電路設計、信號處理和電源管理，分別占到受訪(fǎng)工程師總數的42%、33%、30%、27%和24%，而EMI/EMC設計、射頻設計、低噪聲電路設計和電源管理都直接關(guān)系到模擬電路設計。模擬電路設計成為中國電子設計工程師面臨的最大設計挑戰。

模擬電路設計挑戰分析

“模擬電路設計更像一門(mén)藝術(shù)而不是一門(mén)科學(xué)?！边@是業(yè)界對模擬設計特點(diǎn)的高度總結，而藝術(shù)的東西是需要時(shí)間去沉淀的，本次參加調查的所有回復者中，工作經(jīng)驗在5年以下的占55%，缺乏設計經(jīng)驗，尤其是對實(shí)踐性很強的模擬電路設計經(jīng)驗的缺乏是這些工程師的普遍問(wèn)題。此外，眾多的半導體廠(chǎng)商不斷推出集成各種新功能和新特性的器件，了解并掌握這些器件對于提高工程師解決問(wèn)題的能力十分重要，而這本身對于設計工程師來(lái)說(shuō)具有一定的挑戰性。另一方面，如何適應電子產(chǎn)品更新?lián)Q代對設計工程師設計知識和經(jīng)驗帶來(lái)的更新需求，是所有硬件設計工程師都必須面對的問(wèn)題。

1． 射頻設計的多種挑戰因素

射頻設計挑戰在通信行業(yè)更普遍存在，46%以上的通信設計工程師認為射頻設計是最大的技術(shù)挑戰之一。在通信產(chǎn)品設計中，射頻問(wèn)題比較多的表現在射頻干擾、天線(xiàn)匹配、接收靈敏度、天線(xiàn)耦合靈敏度、器件參數一致性等問(wèn)題，解決這些問(wèn)題需要具有豐富的設計經(jīng)驗、驗證測試工具和方法。

隨著(zhù)3C融合趨勢的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的消費電子產(chǎn)品需要采用射頻電路，這給很少接觸射頻的消費電子工程師帶來(lái)極大的挑戰。長(cháng)虹數字平面顯示公司一位工程師就遇到這個(gè)問(wèn)題，在該公司的一款采用802.11無(wú)線(xiàn)傳輸音視頻信號的產(chǎn)品中，如何解決射頻信號帶來(lái)的穩定性、EMI和噪聲問(wèn)題十分棘手。海信公司一位數字電視機頂盒設計師表示，如何選擇滿(mǎn)足國內有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )特點(diǎn)的高頻頭，提高高頻頭輸出后端電路靈敏度是設計中非常具有挑戰性的問(wèn)題。

射頻元器件本身對射頻電路設計也帶來(lái)極大的挑戰。重慶信威通信公司的一位工程師指出，由于元器件參數的不一致性導致產(chǎn)品射頻接收電路的實(shí)際性能與電路設計通常有一定的差異，這種問(wèn)題在設計中很難控制，只能在產(chǎn)品調試中發(fā)現并在后期解決。這種問(wèn)題在射頻設計中很普遍，如手機天線(xiàn)開(kāi)關(guān)與放大器之間的匹配、天線(xiàn)耦合靈敏度、射頻模塊本身的質(zhì)量問(wèn)題等。

缺乏必要的測試設備和方法是工程師在射頻設計中普遍存在的問(wèn)題。某知名分銷(xiāo)商的一位高級工程師表示，通常設計中的仿真分析與實(shí)際的結果存在較大的差距，然而客戶(hù)常常缺乏必要的測試設備，產(chǎn)品中出現因為射頻設計帶來(lái)的問(wèn)題時(shí)很難通過(guò)有效的方式解決，而經(jīng)驗和試驗通常成為唯一的解決辦法。

2． 低噪聲、電磁兼容設計：缺乏經(jīng)驗是最大的挑戰

低噪聲設計挑戰更多地出現在一些小信號處理應用中，如傳感應用、小信號測試、信號采集以及高端音頻系統等。噪聲源通常來(lái)自電源/地波動(dòng)、數字信號的高頻分量干擾、同步開(kāi)關(guān)噪聲、信號線(xiàn)與電源及地之間交互影響以及器件本身的熱噪聲。

電磁兼容和低噪聲設計需要綜合考慮器件本身的性能、寄生參數、產(chǎn)品的性能要求、成本以及系統設計中的每一個(gè)功能模塊，通過(guò)布局布線(xiàn)優(yōu)化、增加去耦電容、磁珠、磁環(huán)、屏蔽、PCB諧振抑制等措施來(lái)確保EMI在控制范圍內，需要工程師具有良好的理論基礎并具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗，認真處理設計中的每個(gè)細節。然而，這些素養是很多電子設計工程師所不具備的，必須在不斷的工程實(shí)踐中培養和積累。

另外，成本因素對電磁兼容和低噪聲設計帶來(lái)極大的壓力。華為的一位工程師表示，考慮到成本的因素， PCB的層數需要盡可能少，因此可能沒(méi)有完整的地層，這對克服EMI和信號噪聲帶來(lái)很大的挑戰性。而為了提高EMC，須要采用像濾波器、磁珠和磁環(huán)這些額外器件，對產(chǎn)品成本帶來(lái)極大的壓力。如何以最低的材料成本滿(mǎn)足EMC要求對工程師的設計能力提出了極高的要求。

電子產(chǎn)品需要通過(guò)3C、CE、FCC和VCCI等認證，電磁兼容性已經(jīng)成為硬件設計工程師必需考慮的問(wèn)題。通標標準技術(shù)服務(wù)有限公司一位實(shí)驗室經(jīng)理向本刊透露，由于工程師普遍缺乏EMC的設計經(jīng)驗，幾乎所有產(chǎn)品都必須進(jìn)行多次設計整改才能通過(guò)認證測試，通常DVD產(chǎn)品的3C認證通過(guò)率僅為20%左右，彩電通過(guò)率在50%左右。

3． 電源管理挑戰

工程師對電源設計知識和電源元器件缺乏了解是產(chǎn)生電源管理挑戰的主要原因之一。TI的一位高級應用工程師指出，很多設計工程師對電源解決方案和電源技術(shù)缺乏了解，不能清楚了解電源產(chǎn)品架構的優(yōu)缺點(diǎn)、特性差異，他們更多的是從價(jià)格來(lái)區分產(chǎn)品。

半導體技術(shù)的發(fā)展對管理帶來(lái)不斷的變革。當前處理器、CPU在不同工作狀態(tài)和頻率下，一般有至少有兩個(gè)不同的工作電壓需求；另外，一些先進(jìn)的電源解決方案增加了很多新的特性，如利用串行接口或片上EEPROM的可編程特性等。這些新的功能特性對于習慣于傳統電源設計的工程師來(lái)說(shuō)，在接受這些產(chǎn)品架構特點(diǎn)和設計方法上有一定挑戰性。

產(chǎn)品的更新?lián)Q代同樣給電源設計帶來(lái)挑戰，對那些集成媒體播放等豐富功能的便攜式電子產(chǎn)品設計來(lái)說(shuō)，低功耗的電源管理壓力是傳統同類(lèi)產(chǎn)品所未有的。而在一些產(chǎn)品中低功耗并不是唯一的問(wèn)題，創(chuàng )維公司的一位資深設計工程師就困擾于電源散熱問(wèn)題：與傳統CRT彩電相比，液晶電視具有厚度規定，很難采用傳統彩電所用的散熱片散熱方法，而背光和顯示屏產(chǎn)生的環(huán)境溫度很高，如何提高電源效率、降低電源本身發(fā)熱非常重要。

此外，電源通常是主要的EMI和噪聲源，面臨當前更嚴格的電磁兼容認證要求，電源設計工程師需要在設計中抑制產(chǎn)生的紋波、傳導、輻射干擾和噪聲。

高校教育缺失之痛

對于中國電子工程師普遍面臨的模擬電路設計技術(shù)挑戰，山東大學(xué)一位教授指出了問(wèn)題的癥結：“模擬電路因為難學(xué)通常被學(xué)生戲稱(chēng)為‘魔鬼電路’，他們普遍偏重數字電路和軟件。而且，模擬電路設計實(shí)踐性很強，而高校難以提供大量的模擬電路設計操作條件?！边@樣的觀(guān)點(diǎn)得到了很多高校教授的認同，天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院一位資深教授在接受我們的電話(huà)采訪(fǎng)時(shí)，對于中國射頻技術(shù)教育的缺失痛心疾呼：“中國電子設計人才培養最差的就是射頻技術(shù)，高校在射頻技術(shù)的教育上快成空白了?！彼赋?，射頻課程的教學(xué)需要配合大量的實(shí)驗課程，需要投入大量的高端儀器，而國內高校普遍都嚴重缺乏這方面的投入。

高校教育的缺位導致設計工程師普遍在模擬設計上基礎薄弱。在對參與本次調查的工程師抽樣回訪(fǎng)中，就射頻設計、電磁兼容、低噪聲電路設計和電源管理幾個(gè)反饋最多的設計挑戰問(wèn)題，聽(tīng)到最多的就是“沒(méi)有接觸過(guò)”、“缺乏經(jīng)驗”、“積累不夠”、“缺乏實(shí)踐指導類(lèi)書(shū)籍”。一位開(kāi)發(fā)ZigBee工業(yè)應用產(chǎn)品的工程師坦言，他們對射頻技術(shù)缺乏了解，甚至對一些基本的概念都不清楚。而這些設計團隊最終的解決辦法通常就是采用完整的芯片組方案和參考設計以及半導體廠(chǎng)商/分銷(xiāo)商的技術(shù)支持，而這樣一來(lái)不可避免會(huì )犧牲產(chǎn)品設計的靈活性、成本等，同時(shí)難以實(shí)現設計經(jīng)驗的積累。