時間：2023-10-13 16:13:50
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇模擬集成電路原理與設計，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
2001年我國新增“集成電路設計與集成系統”本科專業，2003年至2009年，我國在清華大學、北京大學、復旦大學等高校分三批設立了20個大學集成電路人才培養基地，加上原有的“微電子科學與工程”專業，目前，國內已有近百所高校開設了微電子相關專業和實訓基地，由此可見，國家對集成電路行業人才培養的高度重視。在新形勢下，集成電路相關專業的“重理論輕實踐”、“重教授輕自學輕互動”的傳統人才培養模式已不再適用。因此，探索新的人才培養方式，改革集成電路設計類課程體系顯得尤為重要。傳統人才培養模式的“重理論、輕實踐”方面，可從課程教學學時安排上略見一斑。例如：某高校“模擬集成電路設計”課程，總學時為80，其中理論為64學時，實驗為16學時，理論與實驗學時比高達4∶1。由于受學時限制，實驗內容很難全面覆蓋模擬集成電路的典型結構，且實驗所涉及的電路結構、器件尺寸和參數只能由授課教師直接給出，學生在有限的實驗學時內僅完成電路的仿真驗證工作。由于缺失了根據所學理論動手設計電路結構，計算器件尺寸，以及通過仿真迭代優化設計等環節，使得眾多應屆畢業生走出校園后普遍不具備直接參與集成電路設計的能力。“重教授、輕自學、輕互動”的傳統教學方式也備受詬病。課堂上，授課教師過多地關注知識的傳授，忽略了發揮學生主動學習的主觀能動性，導致教師教得很累，學生學得無趣。
2集成電路設計類課程體系改革探索和教學模式的改進
2014年“數字集成電路設計”課程被列入我校卓越課程的建設項目，以此為契機，卓越課程建設小組對集成電路設計類課程進行了探索性的“多維一體”的教學改革，運用多元化的教學組織形式，通過合作學習、小組討論、項目學習、課外實訓等方式，營造開放、協作、自主的學習氛圍和批判性的學習環境。
2．1新型集成電路設計課程體系探索
由于統一的人才培養方案，造成了學生“學而不精”局面，培養出來的學生很難快速適應企業的需求，往往企業還需追加6～12個月的實訓，學生才能逐漸掌握專業技能，適應工作崗位。因此，本卓越課程建設小組試圖根據差異化的人才培養目標，探索新型集成電路設計類課程體系，重新規劃課程體系，突出課程的差異化設置。集成電路設計類課程的差異化，即根據不同的人才培養目標，開設不同的專業課程。比如，一些班級側重培養集成電路前端設計的高端人才，其開設的集成電路設計類課程包括數字集成電路設計、集成電路系統與芯片設計、模擬集成電路設計、射頻電路基礎、硬件描述語言與FPGA設計、集成電路EDA技術、集成電路工藝原理等；另外的幾個班級，則側重于集成電路后端設計的高端人才培養，其開設的集成電路設計類課程包括數字集成電路設計、CMOS模擬集成電路設計、版圖設計技術、集成電路工藝原理、集成電路CAD、集成電路封裝與集成電路測試等。在多元化的培養模式中，加入實訓環節，為期一年，設置在第七、八學期。學生可自由選擇，或留在學校參與教師團隊的項目進行實訓，或進入企業實習，以此來提高學生的專業技能與綜合素質。
2．2理論課課堂教學方式的改進
傳統的課堂理論教學方式主要“以教為主”，缺少了“以學為主”的互動環節和自主學習環節。通過增加以學生為主導的學習環節，提高學生學習的興趣和學習效果。改進措施如下：
（1）適當降低精講學時。精講學時從以往的占課程總學時的75％～80％，降低為30％～40％，課程的重點和難點由主講教師精講，精講環節重在使學生掌握扎實的理論基礎。
（2）增加課堂互動和自學學時。其學時由原來的占理論學時不到5％增至40％～50％。
（3）采用多樣化課堂教學手段，包括團隊合作學習、課堂小組討論和自主學習等，激發學生自主學習的興趣。比如，教師結合當前本專業國內外發展趨勢、研究熱點和實踐應用等，將課程內容凝練成幾個專題供學生進行小組討論，每小組人數控制在3～4人，課堂討論時間安排不低于課程總學時的30％［3］。專題內容由學生通過自主學習的方式完成，小組成員在查閱大量的文獻資料后，撰寫報告，在課堂上與師生進行交流。課堂理論教學方式的改進，充分調動了學生的學習熱情和積極性，使學生從被動接受變為主動學習，既活躍了課堂氣氛，也營造了自主、平等、開放的學習氛圍。
2．3課程實驗環節的改進
為使學生盡快掌握集成電路設計經驗，提高動手實踐能力，探索一種內容合適、難度適中的集成電路設計實驗教學方法勢在必行。本課程建設小組將從以下幾個方面對課程實驗環節進行改進：
（1）適當提高教學實驗課時占課程總學時的比例，使理論和實驗學時的比例不高于2∶1。
（2）增加課外實驗任務。除實驗學時內必須完成的實驗外，教師可增設多個備選實驗供學生選擇。學生可在開放實驗室完成相關實驗內容，為學生提供更多的自主思考和探索空間。
（3）提升集成電路設計實驗室的軟、硬件環境。本專業通過申請實驗室改造經費，已完成多個相關實驗室的軟、硬件升級換代。目前，實驗室配套完善的EDA輔助電路設計軟件，該系列軟件均為業界認可且使用率較高的軟件。
（4）統籌安排集成電路設計類課程群的教學實驗環節，力爭使課程群的實驗內容覆蓋設計全流程。由于集成電路設計類課程多、覆蓋面大，且由不同教師進行授課，因此課程實驗分散，難以統一。本課程建設小組為了提高學生的動手能力和就業競爭力，全面規劃、統籌安排課程群內的所有實驗，使學生對集成電路設計的全流程都有所了解。
3工程案例教學法的應用
為提升學生的工程實踐經驗，我們將工程案例教學法貫穿于整個課程群的理論、實驗和作業環節。下面以模擬集成電路中的典型模塊多級放大器的設計為例，對該教學方法在課程中的應用進行詳細介紹。
3．1精講環節
運算放大器是模擬系統和混合信號系統中一個完整而又重要的部分，從直流偏置的產生到高速放大或濾波，都離不開不同復雜程度的運算放大器。因此，掌握運算放大器知識是學生畢業后從事模擬集成電路設計的基礎。雖然多級運算放大器的電路規模不是很大，但是在設計過程中，需根據性能指標，謹慎挑選運放結構，合理設計器件尺寸。運算放大器的性能指標指導著設計的各個環節和幾個比較重要的設計參數，如開環增益、小信號帶寬、最大功率、輸出電壓（流）擺幅、相位裕度、共模抑制比、電源抑制比、轉換速率等。由于運算放大器的設計指標多，設計過程相對復雜，因此其工作原理、電路結構和器件尺寸的計算方法等，這部分內容需要由主講教師精講，其教學內容可以放在“模擬集成電路設計”課程的理論學時里。
3．2作業環節
課后作業不僅僅是課堂教學的鞏固，還應是課程實驗的準備環節。為了彌補缺失的學生自主設計環節，我們將電路結構的設計和器件尺寸、相關參數的手工計算過程放在作業環節中完成。這樣做既不占用寶貴的實驗學時，又提高了學生的分析問題和解決問題的能力。比如兩級運算放大器的設計和仿真實驗，運放的設計指標為：直流增益＞80dB；單位增益帶寬＞50MHz；負載電容為2pF；相位裕度＞60°；共模電平為0．9V（VDD＝1．8V）；差分輸出擺幅＞±0．9V；差分壓擺率＞100V／μs。在上機實驗之前，主講教師先將該運放的設計指標布置在作業中，學生根據教師指定的設計參數完成兩級運放結構選型及器件尺寸、參數的手工計算工作，仿真驗證和電路優化工作在實驗學時或課外實訓環節中完成。
3．3實驗環節
在課程實驗中，學生使用EDA軟件平臺將作業中設計好的電路輸入并搭建相關仿真環境，進行仿真驗證工作。學生根據仿真結果不斷優化電路結構和器件尺寸，直至所設計的運算放大器滿足所有預設指標。其教學內容可放在“模擬集成電路設計”或“集成電路EDA技術”課程里［4］。
3．4版圖設計環節
版圖是電路系統和集成電路工藝之間的橋梁，是集成電路設計不可或缺的重要環節。通過集成電路的版圖設計，可將立體的電路系統變為一個二維的平面圖形，再經過工藝加工還原為基于硅材料的立體結構。兩級運算放大器屬于模擬集成電路，其版圖設計不僅要滿足工藝廠商提供的設計規則，還應考慮到模擬集成電路版圖設計的準則，如匹配性、抗干擾性以及冗余設計等。其教學內容可放在課程群中“版圖設計技術”的實驗環節完成。通過理論環節、作業環節以及實驗的迭代仿真和版圖設計環節，使學生掌握模擬集成電路的前端設計到后端設計流程，以及相關EDA軟件的使用，具備了直接參與模擬集成電路設計的能力。
4結語
以集成電路為龍頭的信息技術產業是國家戰略性新興產業中的重要基礎性和先導性支柱產業。國家高度重視集成電路產業的發展,2000年,國務院頒發了《國務院關于印發鼓勵軟件產業和集成電路產業發展若干政策的通知》(18號文件),2011年1月28日,國務院了《國務院關于印發進一步鼓勵軟件產業和集成電路產業發展若干政策的通知》,2011年12月24日,工業和信息化部印發了《集成電路產業“十二五”發展規劃》,我國集成電路產業有了突飛猛進的發展。然而,我國的集成電路設計水平還遠遠落后于產業發展水平。2013年,全國進口產品金額最大的類別是集成電路芯片,超過石油進口。2014年3月5日,國務院總理在兩會上的政府工作報告中,首次提到集成電路(芯片)產業,明確指出,要設立新興產業創業創新平臺,在新一代移動通信、集成電路、大數據、先進制造、新能源、新材料等方面趕超先進,引領未來產業發展。2014年6月,國務院頒布《國家集成電路產業發展推進綱要》,加快推進我國集成電路產業發展,10月底1200億元的國家集成電路投資基金成立。集成電路設計人才是集成電路產業發展的重要保障。2010年,我國芯片設計人員達不到需求的10%,集成電路設計人才的培養已成為當前國內高等院校的一個迫切任務[1]。為滿足市場對集成電路設計人才的需求,2001年,教育部開始批準設置“集成電路設計與集成系統”本科專業[2]。
我校2002年開設電子科學與技術本科專業,期間,由于專業調整,暫停招生。2012年,電子科學與技術專業恢復本科招生,主要專業方向為集成電路設計。為提高人才培養質量,提出了集成電路設計專業創新型人才培養模式[3]。本文根據培養模式要求,從課程體系設置、課程內容優化兩個方面對集成電路設計方向的專業課程體系進行改革和優化。
一、專業課程體系存在的主要問題
1.不太重視專業基礎課的教學。“專業物理”、“固體物理”、“半導體物理”和“晶體管原理”是集成電路設計的專業基礎課,為后續更好地學習專業方向課提供理論基礎。如果基礎不打扎實,將導致學生在學習專業課程時存在較大困難,更甚者將導致其學業荒廢。例如,如果沒有很好掌握MOS晶體管的結構、工作原理和工作特性,學生在后面學習CMOS模擬放大器和差分運放電路時將會是一頭霧水,不可能學得懂。
但國內某些高校將這些課程設置為選修課,開設較少課時量,學生不能全面、深入地學習;有些院校甚至不開設這些課程[4]。比如,我校電子科學與技術專業就沒有開設“晶體管原理”這門課程,而是將其內容合并到“模擬集成電路原理與設計”這門課程中去。
2.課程開設順序不合理。專業基礎課、專業方向課和寬口徑專業課之間存在環環相扣的關系,前者是后者的基礎,后者是前者理論知識的具體應用。并且,在各類專業課的內部也存在這樣的關系。如果在前面的知識沒學好的基礎上,開設后面的課程,將直接導致學生學不懂,嚴重影響其學習積極性。例如:在某些高校的培養計劃中,沒有開設“半導體物理”,直接開設“晶體管原理”,造成了學生在學習“晶體管原理”課程時沒有“半導體物理”課程的基礎,很難進入狀態,學習興趣受到嚴重影響[5]。具體比如在學習MOS晶體管的工作狀態時,如果沒有半導體物理中的能帶理論,就根本沒辦法掌握閥值電壓的概念,以及閥值電壓與哪些因素有關。
3. 課程內容理論性太強,嚴重打擊學生積極性。“專業物理”、“固體物理”、“半導體物理”和“晶體管原理”這些專業基礎課程本身理論性就很強,公式推導較多,并且要求學生具有較好的數學基礎。而我們有些教師在授課時,過分強調公式推導以及電路各性能參數的推導,而不是側重于對結構原理、工作機制和工作特性的掌握,使得學生(尤其是數學基礎較差的學生)學習起來很吃力,學習的積極性受到極大打擊[6]。
二、專業課程體系改革的主要措施
1“。 4+3+2”專業課程體系。形成“4+3+2”專業課程體系模式:“4”是專業基礎課“專業物理”、“半導體物理”、“固體物理”和“晶體管原理”;“3”是專業方向課“集成電路原理與設計”、“集成電路工藝”和“集成電路設計CAD”;“2”是寬口徑專業課“集成電路應用”、“集成電路封裝與測試”,實行主講教師負責制。依照整體優化和循序漸進的原則,根據學習每門專業課所需掌握的基礎知識,環環相扣,合理設置各專業課的開課先后順序,形成先專業基礎課,再專業方向課,然后寬口徑專業課程的開設模式。
我校物理與電子科學學院本科生實行信息科學大類培養模式,也就是三個本科專業
大學一年級、二年級統一開設課程,主要開設高等數學、線性代數、力學、熱學、電磁學和光學等課程,重在增強學生的數學、物理等基礎知識,為各專業后續專業基礎課、專業方向課的學習打下很好的理論基礎。從大學三年級開始,分專業開設專業課程。為了均衡電子科學與技術專業學生各學期的學習負擔,大學三年級第一學期開設“理論物理導論”和“固體物理與半導體物理”兩門專業基礎課程。其中“固體物理與半導體物理”這門課程是將固體物理知識和半導體物理知識結合在一起,課時量為64學時,由2位教師承擔教學任務,其目的是既能讓學生掌握后續專業方向課學習所需要的基礎知識,又不過分增加學生的負擔。大學三年級第二學期開設“電子器件基礎”、“集成電路原理與設計”、“集成電路設計CAD”和“微電子工藝學”等專業課程。由于“電子器件基礎”是其他三門課程學習的基礎,為了保證學習的延續性,擬將“電子器件基礎”這門課程的開設時間定為學期的1~12周,而其他3門課程的開課時間從第6周開始,從而可以保證學生在學習專業方向課時具有高的學習效率和大的學習興趣。另外,“集成電路原理與設計”課程設置96學時,由2位教師承擔教學任務。并且,先講授“CMOS模擬集成電路原理與設計”的內容,課時量為48學時,開設時間為6~17周;再講授“CMOS數字集成電路原理與設計”的內容,課時量為48學時,開設時間為8~19周。大學四年級第一學期開設“集成電路應用”和“集成電路封裝與測試技術”等寬口徑專業課程,并設置其為選修課,這樣設置的目的在于:對于有意向考研的同學,可以減少學習壓力,專心考研;同時,對于要找工作的同學,可以更多了解專業方面知識,為找到好工作提供有力保障。 2.優化專業課程的教學內容。由于我校物理與電子科學學院本科生采用信息科學大類培養模式,專業課程要在大學三年級才能開始開設,時間緊湊。為實現我校集成電路設計人才培養目標,培養緊跟集成電路發展前沿、具有較強實用性和創新性的集成電路設計人才,需要對集成電路設計方向專業課程的教學內容進行優化。其學習重點應該是掌握基礎的電路結構、電路工作特性和電路分析基本方法等,而不是糾結于電路各性能參數的推導。
在“固體物理與半導體物理”和“晶體管原理”等專業基礎課程教學中,要盡量避免冗長的公式及煩瑣的推導,側重于對基本原理及特性的物理意義的學習,以免削弱學生的學習興趣。MOS器件是目前集成電路設計的基礎,因此,在“晶體管原理”中應當詳細講授MOS器件的結構、工作原理和特性,而雙極型器件可以稍微弱化些。
對于專業方向課程,教師不但要講授集成電路設計方面的知識,也要側重于集成電路設計工具的使用,以及基本的集成電路版圖知識、集成電路工藝流程,尤其是CMOS工藝等相關內容的教學。實驗實踐教學是培養學生的知識應用能力、實際動手能力、創新能力和社會適應能力的重要環節。因此,在專業方向課程中要增加實驗教學的課時量。例如,在“CMOS模擬集成電路原理與設計”課程中,總課時量為48學時不變,理論課由原來的38學時減少至36學時,實驗教學由原來的10學時增加至12個學時。36學時的理論課包含了單級運算放大器、差分運算放大器、無源/有源電流鏡、基準電壓源電路、開關電路等多種電路結構。12個學時的實驗教學中2學時作為EDA工具學習,留給學生10個學時獨自進行電路設計。從而保證學生更好地理解理論課所學知識,融會貫通,有效地促進教學效果,激發學生的學習興趣。
關鍵詞：集成電路設計；版圖；CMOS
作者簡介：毛劍波（1970-），男，江蘇句容人，合肥工業大學電子科學與應用物理學院，副教授；汪濤（1981-），男，河南商城人，合肥工業大學電子科學與應用物理學院，講師。（安徽?合肥?230009）
基金項目：本文系安徽省高校教研項目（項目編號：20100115）、省級特色專業項目（項目編號：20100062）的研究成果。
中圖分類號：G642?????文獻標識碼：A?????文章編號：1007-0079（2012）23-0052-02
集成電路（Integrated Circuit）產業是典型的知識密集型、技術密集型、資本密集和人才密集型的高科技產業，是關系國民經濟和社會發展全局的基礎性、先導性和戰略性產業，是新一代信息技術產業發展的核心和關鍵，對其他產業的發展具有巨大的支撐作用。經過30多年的發展，我國集成電路產業已初步形成了設計、芯片制造和封測三業并舉的發展格局，產業鏈基本形成。但與國際先進水平相比，我國集成電路產業還存在發展基礎較為薄弱、企業科技創新和自我發展能力不強、應用開發水平急待提高、產業鏈有待完善等問題。在集成電路產業中，集成電路設計是整個產業的龍頭和靈魂。而我國集成電路設計產業的發展遠滯后于計算機與通信產業，集成電路設計人才嚴重匱乏，已成為制約行業發展的瓶頸。因此，培養大量高水平的集成電路設計人才，是當前集成電路產業發展中一個亟待解決的問題，也是高校微電子等相關專業改革和發展的機遇和挑戰。[1-4]
一、集成電路版圖設計軟件平臺
為了滿足新形勢下集成電路人才培養和科學研究的需要，合肥工業大學（以下簡稱“我校”）從2005年起借助于大學計劃，和美國Mentor Graphics公司、Xilinx公司、Altera公司、華大電子等公司合作建立了EDA實驗室，配備了ModelSim、IC Station、Calibre、Xilinx ISE、Quartus II、九天Zeni設計系統等EDA軟件。我校相繼開設了與集成電路設計密切相關的本科課程，如集成電路設計基礎、模擬集成電路設計、集成電路版圖設計與驗證、超大規模集成電路設計、ASIC設計方法、硬件描述語言等。同時對課程體系進行了修訂，注意相關課程之間相互銜接，關鍵內容不遺漏，突出集成電路設計能力的培養，通過對課程內容的精選、重組和充實，結合實驗教學環節的開展，構成了系統的集成電路設計教學過程。[5，6]
集成電路設計從實現方法上可以分為三種：全定制（full custom）、半定制（Semi-custom）和基于FPGA/CPLD可編程器件設計。全定制集成電路設計，特別是其后端的版圖設計，涵蓋了微電子學、電路理論、計算機圖形學等諸多學科的基礎理論，這是微電子學專業的辦學重要特色和人才培養重點方向，目的是給本科專業學生打下堅實的設計理論基礎。
在集成電路版圖設計的教學中，采用的是中電華大電子設計公司設計開發的九天EDA軟件系統（Zeni EDA System），這是中國唯一的具有自主知識產權的EDA工具軟件。該軟件與國際上流行的EDA系統兼容，支持百萬門級的集成電路設計規模，可進行國際通用的標準數據格式轉換，它的某些功能如版圖編輯、驗證等已經與國際產品相當甚至更優，已經在商業化的集成電路設計公司以及東南大學等國內二十多所高校中得到了應用，特別是在模擬和高速集成電路的設計中發揮了強大的功能，并成功開發出了許多實用的集成電路芯片。
九天EDA軟件系統包括ZeniDM（Design Management）設計管理器，ZeniSE（Schematic Editor）原理圖編輯器，ZeniPDT（physical design tool）版圖編輯工具，ZeniVERI（Physical Design Verification Tools）版圖驗證工具，ZeniHDRC（Hierarchical Design Rules Check）層次版圖設計規則檢查工具，ZeniPE（Parasitic Parameter Extraction）寄生參數提取工具，ZeniSI（Signal Integrity）信號完整性分析工具等幾個主要模塊，實現了從集成電路電路原理圖到版圖的整個設計流程。
二、集成電路版圖設計的教學目標
根據培養目標結合九天EDA軟件的功能特點，在本科生三年級下半學期開設了為期一周的以九天EDA軟件為工具的集成電路版圖設計課程。
我當年就是懷著對集成電路未來的美好憧憬，幻想著IC從業者西裝革履喝咖啡的小資生活。再加上那時開設該專業的還有清華、北大等“985工程”院校。于是我報考了這個前途無量的集成電路設計與集成系統（下簡稱集電）專業。
IC課堂知多少
前面提到了IC從業者，那IC究竟是什么呢？IC是半導體元件產品的統稱。那學這個有什么用呢？比方說自稱國產發燒級的小米手機，你知道它用的四核CPU是什么架構？28nm工藝又是什么工藝呢？更省電的電源管理芯片又是什么邏輯構造呢？這些在選擇了集電專業后，你都會一一了解到。在不久的將來，也許你設計的芯片還會在流水線上量產呢。
既然這個專業那么有用，那它是學什么的呢？首先，要做的就是電路設計，根據市場的需求依據電路功能設計出電路；接下來就是前期電路功能的仿真（就是將電路原理圖用專業軟件模擬出電路所實現的功能，主要是為了節省研發經費和研發周期），檢測其是否能達到所要的參數需求；再次，用專業的軟件將電路版圖畫出來；最后，將畫出來的版圖進行后期仿真，與前期的仿真對比，看是否需要做出修改。若符合要求就生成版圖文件交給晶圓廠進行量產，最后到封裝測試廠完成芯片的最后一道工藝。
如今，集成電路設計與集成系統專業已走過了9年，它變得越來越適應就業市場的需求。目前該專業分為三個方向。第一個方向是設計。這個方向又分兩類，數字集成電路設計是偏軟件類；而模擬集成電路設計是偏硬件類。有設計就要有生產，該專業的第二個方向就是生產工藝。IC工藝能力決定了芯片的性能、功耗、散熱等諸多因素。而第三個方向是集成電路的封裝與測試。好的封裝才能夠使芯片發揮正常的功能，并保證其具有高穩定性和可靠性。而芯片是否達到預期的研發目標，則需要更多的測試才能確定。
集電專業開設的課程較多，光專業基礎課就要分硬件和軟件，加上計算機應用技術、模擬電路與數字電路、電路分析基礎、信號與系統、集成電路應用實驗、現代工程設計制圖、微機原理與應用、固體電子學、電磁場與電磁波這些專業課，你會發現你的大學四年會過得格外充實。不過你放心，由于實驗課很多，學習并不會覺得枯燥。
就拿集電專業的核心課程——集成電路工藝課來說吧。這門課教授我們如何把還只是一個概念的集成電路芯片從有到無的“變”出來。喜歡玩手機的同學一定聽說過現在市面上最先進的高通的四核CPU吧，它的電路構成需要用到上百萬個我們所熟知的晶體管、電阻、電容等元器件。可是我們的手機只有那么小，上百萬個元器件怎么集中在那么小的一個芯片上呢？這就需要運用這門課所學的工藝技術，將這些元件制作在一小塊硅片、玻璃或陶瓷襯底上，再用適當的工藝進行互連，然后封裝在一個管殼內，使整個電路的體積大大縮小，引出線和焊接點的數目也大為減少。而這其中的奧妙，就需要你帶著一份好奇心，步入大學的殿堂用心學習了！
前途寬廣，錢途無量
目前，很多歐美IC巨頭企業都在中國設有工廠或者研發機構，比如AMD、飛思卡爾、德州儀器、意法半導體、英特爾等。本土的IC公司也如雨后春筍般層出不窮，越來越多的海歸人才帶著國外的尖端技術和項目基金回國創業。這些電子廠都是離不開IC設計人才的。
2006年考研結束后，我只身南下，去上海找工作。在火車上，我接到了德州儀器的電話面試，可惜最后因為英語口語不過關被淘汰了，這也說明這個專業對于英語應用能力的要求還是比較高的。不過之后的半個月時間，各種面試電話就成了我幸福的煩惱，對于只是一名應屆本科畢業生的我，有的公司甚至開出了4500元月薪的條件，這是當時很多畢業生想都不敢想的，更何況一年還發16個月薪水！由此可見，對于集電專業的畢業生，只要你做了充分的準備，就會有成百上千的大門向你敞開。選擇做IC人，你將“錢途”無量！
集電專業的畢業生有較強的工作適應能力，就業范圍寬，可從事集成電路設計與制造、嵌入式系統、計算機控制技術、通信、消費類電子等信息技術領域的研究、開發和教學工作。
選“山”拜師很重要
關鍵詞：微弱信號；DSP；儀用放大器；陷波電路
引言：
微電信號檢測技術是一門新興的技術學科，是利用電子學、信息論和物理學的方法，分析噪聲產生的原理和規律，研究被測信號的特點與相關性，檢測被噪聲背景淹沒的微弱信號。能在噪聲背景中檢測信號的微弱信號檢測儀器，為現代科學技術和工農業生產提供了強有力的測試手段。應用范圍遍及幾乎所有的科學領域，已成為現代科技必備的常用儀器。國外很多大學和公司都在從事不同領域的微信號檢測的研究和相關芯片的研發工作。且隨著仿生智能學的發展，是人們日益認識到若想更加深入的了解生物體內部結構，歸根到底就是對人體各種微電信號的采集和處理及分析，所以研究微電信號的采集和處理具有很深遠的意義。本文設計了一種微電信號采集和處理系統，通過電路的設計實現了對微弱電信號采集。
一．系統原理介紹
如圖所示的是系統的整體設計框圖，整個系統由三部分組成：前置儀用放大電路[1]、中間級處理電路、信號采集識別電路。由傳感器傳來的微弱信號經由前置儀用放大電路放大后經由中間級處理電路的濾波、增益調節及陷波后調制成復合信號采集識別電路可采集及識別的信號，將模擬信號轉變為數字信號輸入到DSP數字控制電路后序處理。
圖 1系統原理框圖
二、主要功能模塊實現電路
2.1前置儀用放大電路
前置放大電路主要考慮噪聲、輸入阻抗和共模抑制比等的影響。電路如圖2所示，包括輸入緩沖、高頻濾波和儀用放大電路三部分。前置放大電路的最前級直接采用了電壓跟隨器的設計，此種設計在理論上輸入阻抗無窮大，有效的將信號輸入源與電路系統隔離，去除了信號源內阻高且不穩定的影響。儀用放大器因為其經典的三運放結構而具有較高的輸入阻抗和共模抑制比，并且只需外接一個電阻即可設定增益，在生物信號處理領域被廣泛地應用。本文選用的AD公司的AD620。
圖 2 前置放大電路
2.2中間級處理電路
中間級處理電路分為帶通選頻網絡[2]、二級放大電路、50Hz陷波器[3]和增益調節電路[4]等。帶通選頻網絡由RC無源網絡組成，簡單可靠，通帶的最大范圍設定為0.05kHz～10kHz（在本文設計中是對以上頻率做的通帶范圍，若信號源信號超出此范圍改變濾波電路的具體器件參數可改變通帶范圍）。根據不同信號的差異，可以對信號的放大倍數進行調整，以適合后續數字控制電路對數據的采集的要求。在圖3-圖6分別給出以上四部分的電路設計原理圖。
2.3信號采集電路
經前述兩部分電路后，微電信號已被放大，根據所采用的數字采集電路調整放大電路中的增益可將信號放大到適合采集的幅值范圍內。本系統采用的是ti公司的TMS320VC5402[5]芯片作為主控芯片，以MAX1198[6]作為采樣芯片。由于MAX1198最大可到100MHz的采樣率，可以采集高頻帶信號。DSP芯片與MAX1198的接口圖如圖7所示。
圖7 DSP與MAX1198接口圖
三、實驗數據
為驗證系統電路，在電路輸入端加入了多種頻率的微電信號進行了實驗。下圖將頻率為1KHz、幅值1.63mv經衰減20dB后的三種信號：方波、三角波、正弦，信號經過前置放大電路放大，由濾波和二級放大電路進行二次放大其波形如圖8所示（數碼相機所拍攝的示波器上的波形），輸入到DSP數字系統的輸入端，由A/D轉換變為數字信號，最后存儲到DSP 中，經CCS軟件擬合可得如圖9所示圖形。其他頻率也做了以上實驗，本文不在此逐一列出。
四、結論
由實驗的結果證明本系統設計可以實現對微弱電信號的放大采集等功能，并具有較好的濾波、去噪等特點，為微電信號的采集和處理提供了一種實用方便的有效方法。
參考文獻
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關鍵詞：模擬電子技術；應用型本科；模塊化教材；自主學習
作者簡介：李旭瓊（1973-），女，廣西南寧人，桂林電子科技大學信息與通信學院，副教授；段吉海（1964-），男，廣西桂林人，桂林電子科技大學信息與通信學院，教授。（廣西 桂林 541004）
基金項目：本文系中國電子教育學會“十二·五”高等教育科學研究課題（課題編號：ZDJ11202）、桂林電子科技大學微電子專業主干課程教學團隊基金（項目編號：ZJT1021A）的研究成果。
中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）02-0131-02
應用型本科人才所具有的重要特征之一就是具有較強的實踐動手能力，能夠創造性地運用專業知識和技能解決實際問題。與普通本科教育相比，應用型本科教育更突出實際應用能力與工程素質的培養。
模擬電子技術課程是電力與電子信息類應用型本科課程體系的主干專業基礎課程，由于該課程的實踐性很強，所以對培養學生的工程意識、實踐能力和創新能力起著舉足輕重的作用。目前可供選擇的模擬電子技術教材有近千種，而真正適宜于應用型本科教學的教材卻非常匱乏。大部分的教材秉承傳統的結構形式，存在內容相對陳舊、偏重理論、應用不足等缺點，不能很好地滿足應用型本科的教育要求。因此，研究和建設適應于應用型本科人才培養目標的模擬電子技術教材顯得尤為重要。
一、課程模塊化教學內容體系的構建
傳統的模擬電子技術教學內容一般是按章節進行編排，考核方式大多是由期末考試來決定學生的成績。由于該課程的內容很多，學生往往會因為大量的概念、器件和方法，半途生出厭學心理，學習效果不佳。如果把課程內容劃分為若干相對獨立的模塊，并將理論與實踐有機融合，分段學習分段考核，可以幫助學生“化整為零”、“逐個擊破”，從而改善教學效果。
根據課程的特點及內在聯系，除“課程導學”外，筆者將教學內容劃分為以下五大模塊：常用半導體器件、基本放大電路及其分析設計方法、放大電路的頻率響應與負反饋技術、通用集成運放及其應用以及實用模擬電子系統。
“課程導學”部分的作用是讓學生建立電子系統的概念，了解模擬電子技術課程的教學要求、課程特點、學習方法、現代電子電路的設計方法以及常用EDA仿真軟件，對學生的課程學習起到良好的導向作用。
模塊一：常用半導體器件。介紹模擬集成電路中常用的半導體二極管、穩壓管、雙極型晶體管、場效應管和晶閘管。對于應用型本科人才的培養，從應用的角度考慮，重點介紹器件的外特性、主要參數和電路模型，對于器件本身的內部物理機制不做過于深入的探討。
模塊二：基本放大電路及其分析設計方法。本模塊涉及構成復雜模擬集成電路的各種基本電路，包括雙極型晶體管組成的共射、共集、共基單管放大電路；場效應管組成的共源、共漏、共柵單管放大電路；恒流源電路、差分放大電路和互補推挽功率放大電路。重點介紹基本放大電路的構成原則、工作原理、主要性能指標及其工程估算方法，多級放大電路的識圖以及指標估算方法，單管放大電路的設計方法和設計實例，后兩者突出了實踐與應用。
模塊三：放大電路的頻率響應與負反饋技術。本模塊包括放大電路頻率響應的基本概念和頻率響應的基本分析方法，反饋的概念以及負反饋技術在放大電路中的應用，負反饋放大電路的分析和設計方法，負反饋放大電路的穩定性。
模塊四：通用集成運放及其應用。以應用較廣的典型通用集成運放為例，介紹其電路結構、參數和使用方法，闡述集成運放在信號運算、信號處理和波形轉換等方面應用電路的分析與設計方法。
模塊五：實用模擬電子系統。該模塊作為知識的拓展部分，介紹常用的模擬電路綜合應用系統及其設計，包括直流電源、鎖相環、濾波器、A/D和D/A轉換器等。
二、突出集成與應用調整教材內容
現代電子技術發展非常迅速，新工藝、新器件和設計軟件不斷推陳出新。與之密切相關的模擬電子技術教材需要調整和更新傳統教材的內容，以保證教學內容的先進性和實用性。
1.擴充場效應管電路的內容和篇幅
目前，金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（MOSFET）已經取代雙極型晶體管（BJT）成為現代半導體集成電路的主流。為適應這一發展趨勢，需要擴充場效應管電路的內容和篇幅，適當刪減BJT電路的內容，增加由MOSFET組成的電流源電路、有源負載放大電路、集成運算放大電路、功率放大電路等，并在教學實施過程中側重MOSFET電路的分析與設計。
2.增加集成器件的比重
與分立元件電路相比，集成器件優點十分突出，實際應用也主要是模擬集成器件，如集成運放、集成功放、集成三端穩壓器、鎖相環等。因此，可以在教材中增加常用模擬集成器件的芯片介紹、使用方法、參數測試和典型應用電路，并且在頻率響應與負反饋技術模塊中重點以集成運放為研究對象，分析其頻率響應和負反饋技術的應用。
3.加強電路設計的內容
現行的模擬電子技術教材偏重電路的分析，較少涉及電路的設計，課后習題也基本上沒有設計類的題目。相對電路的分析而言，電路的設計需要考慮更多工程因素（諸如可行性、可靠性、成本、功耗等）。與實際更加貼近有利于培養學生的實際應用能力、工程意識和創新意識，為此，筆者結合實用的家電產品、測控系統和通信系統，在教材增加一些測量放大器、音頻放大器、視頻放大器、濾波器、直流電源等電路的設計實例；在課后習題中增加適量的設計類題目，同時刪去一些重復較多、應用性不強的分析類題目。
三、革新教材編寫模式，設計自主學習型教材
長期以來，高校教材基本上是以教師為核心、以學科知識體系建構為意圖進行規劃編寫。這種編寫模式可以系統性地呈現課程的知識體系，方便教師進行教學，但是卻忽視了學生的主體地位，不利于學生自主獲取知識和知識體系的構建。筆者處在學生的角度考慮問題，參考國外同類優秀教材，嘗試在教材的編寫模式和呈現方式上做以下改進：
第一，以學生為主體，強調“學習者取向”。從學生的角度考慮他們有什么需求、對什么感興趣、學習中可能遇到哪些困難、怎樣利用他們已有的知識經驗來解決問題等等。以此為基礎來組織編寫教學內容，通過“提出問題——引發思索——分析問題——解決問題”的方式有效呈現教材內容，激發學生的興趣，引導其積極思考，從而促進其知識的建構。
第二，把教師的指導以及教學方法適當融入教材內容中，充分體現教師的指導功能。教材增加“課程導學”部分（其中包括課程教學大綱），教材的每個模塊都有教學要求和學習方法建議，設置適量的討論題，在例題中增加解題思路、方法提示和歸納總結等，指導和幫助學生有效地理解和吸收教材內容。
第三，增加教材的可讀性，突出可自學性。為方便學生自主學習，教材結構應該清晰明了，語言表述通俗易懂，同時使用大量的實例、圖表，增加必要的背景資料，結合生活實際精選練習題和思考題。
第四，采用模塊測試，協助學生進行階段性自我評估。在教材的每個模塊后面增加“模塊自測題”，借助測驗激勵學生的學習動機、診斷出存在的問題、鑒定學習的效果，讓學生充分了解自己對教材掌握的程度。
四、優化教學方法和評價制度，發揮教材的最大效能
在組織課程教學所涉及的諸多要素中教材處于重要地位。根據應用本科人才培養目標的要求，模擬電子技術課程適宜采用分段式模塊化教學方法，與之相適應，教材劃分為五大模塊進行分段教學，同時注意將理論知識與實踐有機地融合，采用任務驅動方式實施教學。此外，還要建立相應的分段考核制度，改變過去那種靠期末閉卷考試“一錘定音”來確定學生成績的方法，注重過程性評價。只有這樣，才能充分發揮模塊化教材的最大效能，切實提高教學的質量。
五、結語
本文立足于應用型本科的人才培養目標，針對現行模擬電子技術教材存在的不足，從教學內容體系、教材內容選擇以及教材編寫模式等方面進行了大膽的探索和改革。筆者主張教材建設應該緊跟電子技術的發展趨勢，突出先進性、實用性和工程性，采用模塊化編寫模式，創建高質量的“模塊化自主學習型”模擬電子技術教材，同時輔之以分段式模塊化教學方法和分段考核方式，以期更好地滿足應用型本科教育的要求。
參考文獻：
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【關鍵詞】Proteus；集成電路；仿真
Proteus是一款集單片機和SPICE分析于一體的電子仿真軟件，功能非常強大，可以同時滿足電類各個專業課的教學，Proteus仿真軟件7.5版的元器件庫中包含了CD4000系列、74系列大部分數字集成電路及LM系列等幾百種模擬集成電路，非常適合用于集成電路應用課程的實踐教學。為此，筆者分析了Proteus仿真軟件在課堂教學、實訓、課程設計等各個方面的實踐教學應用情況。
1.Proteus在課堂教學中的應用
目前適合高職院校集成電路應用課程教學的教材相對較少，加上集成電路種類繁多，我們在實際教學中以集成電路廠家給定的datasheet文件為基礎自編實訓教材，選取的幾十種常用集成電路中大部分在Proteus元件庫中有仿真模型，可以搭建電路進行仿真演示，如NE555、LM324、OP27、LM386、LM317、MC34063、LM3914、LM331等。在集成電路應用教學中，最核心的是集成電路的功能演示。在以往沒有使用Proteus軟件的情況下，教師只能使用PPT等多媒體手段，針對電路的原理和功能進行枯燥的講解。使用Proteus軟件后，借助軟件的可操作性及過程的動態顯示，可以通過變換電路形式、設置輸入信號參數、調用虛擬儀表進行測量等人機互動功能來增加學生的興趣和對知識的理解。
如在講述NE555集成電路的多諧振蕩功能時，我們并不急于按照圖1來講述NE555的內部結構和功能，而是使用Proteus搭建如圖2所示的電路，使用電壓探針監視充放電電容C1上的電壓，觀察第3腳上的電平顏色變化，可以很清楚的看到當電容C1上的電壓升到4V時，Q從高電平變成低電平，電容上的電壓開始變為下降，當電容上的電壓下降到2V時，Q從低電平變成高電平，電容上的電壓開始變為上升，如此反復形成振蕩。通過計時還能發現，振蕩的周期大概為20多秒，基本與理論上的公式符合。在觀察了仿真現象和驗證了公式之后，再來理解圖1所示的NE555內部結構和功能就容易的多。
在對圖2使用Proteus進行仿真時，還可以清晰看到電容C1被NE555控制進行反復的充電和放電，充放電的轉換電壓正好為2V和4V，也就是1/3VCC和2/3VCC。這樣通過軟件仿真可以輕松理解NE555電路的特點，而不需要去花很多時間來剖析繁瑣的內部模塊和結構。對于其他集成電路的教學，也是直接通過電路圖來仿真就可以輕松掌握其引腳的功能。
Proteus軟件在仿真時，是以動畫的形式顯示的，同時也可以使用仿真軟件上幀進按鍵，每按一下前進一幀。在講解和演示時可以在停頓的時間里做更多的穿插講解，也增加了學生的理解。
2.Proteus在實訓教學中的應用實踐
傳統的電子產品設計過程中，從選定題目開始，首先要確定集成電路型號和使用的方案，之后開始設計電路圖，購買元器件，進行PCB打樣，最后進行焊接調試[1]，整個過程中還需要使用到若干儀器、儀表和工具。如沒有達到設計功能，整個過程或者部分環節就可能需要反復進行。采用PROTEUS軟件后，只需要搭建完整的電路圖就可進行功能測試和評估，還可以通過調整元器件參數使整個電路性能更佳。這樣就無需多次購買電子元器件、PCB打樣和焊接調試等費時費力的工作，等仿真結束并確定了元器件和電路圖后，一次性完成元器件購買、PCB制作和焊接調試的工作。
例如，如圖3所示的在三運放差分放大器的實訓中，根據理論計算和圖中電阻阻值設置，VO=2.1（V2-V1），使用軟件仿真時給定V2=0.2V，V1=0.1V，則通過虛擬測量VO正好為2.1V。通常利用軟件仿真得到正確的結果并不容易，調試結束之后，大部分學生均能取得下列認識：
（1）測量可知運放的輸入端電流基本為0，即運放的虛斷概念；
（2）測量可知運放的輸入的+、-兩端的電壓差基本為0，即運放的虛短概念；
（3）運放通常需要給正負雙電源才能正常工作，而且電源極性不能搞反；
（4）運放輸出的電壓值不可能超出電源范圍；
（5）仿真電路圖中運放的各輸出點電壓都能通過理論計算得到，而且誤差不大。
（6）如將運放更換為LM324運放，將得到的VO將不再是2.1V，誤差比較大，可見OP27的精度比LM324高，原因是其輸入失調電壓才10uV，而LM324的2mV。
3.Proteus在課程設計中的應用實踐
在學習A/D變換集成電路時，作為本課程的課程設計項目之一，我們選擇使用ICL7107集成電路來制作一個LED數字電壓計。傳統的做法是老師給定完整的電路圖，學生用1-2周的時間在實驗板上焊接調試完成，其中A/D變換的原理、電路的原理及作用等的講解和分析還是要使用黑板或者PPT來完成，大部分學生很難理解，實訓時只能按圖接線，出了問題找老師解決，完全不能在理解原理的基礎上根據故障現象進行分析和判斷，更不能獨立消除故障。
在使用Proteus軟件后，可以很方便地按照電路的模塊進行功能演示、原理解說和故障的分析判斷。如圖4的電路，可以使用Ptoteus演示出雙積分A/D變換器將電壓轉換成時間間隔的過程，在仿真的過程中，學生理解了積分電阻和積分電容所起的作用。又如圖5的電路，可以演示出ICL7107所需要的負電壓的產生過程。學生在電腦上仿真成功后，對照仿真電路圖進行焊接，然后再根據仿真的現象對焊接完的電路板進行調試，如出現故障，也能借助仿真軟件的虛擬儀表來進行測試，幫助進行最終的故障分析和定位。
4.Proteus軟件在實踐教學中的特點
Proteus軟件在集成電路應用課程中起到了很好的作用，最突出的特點是學生的積極主動性有了顯著的提高，作為一個電子仿真軟件，Proteus對其他電類課程也可以起到較好的輔助教學作用，主要的優點如下：
（1）可以達到學生自主學習為主的目的。原則上只要有電腦就可以學習，學生課后也能在自己的電腦上進行學習，虛擬的元器件和儀器儀表也不可能被損壞，學生也不會怕觸電怕短路，能做到大膽嘗試，增強獨立解決問題的能力，減少學習的依耐性[2]。
（2）解決學校實踐條件不足的問題。利用學校已有的機房輕易實現一人一機的實踐環境。傳統實驗室需要元器件、電源、萬用表、示波器、常用工具等硬件設施，容易損壞，難于管理，仿真教學和學習相對容易的多。
（3）設計性實驗替代驗證性實驗。傳統的實訓受到已有元器件的限制，實訓往往按部就班，不能開發學生的主觀能動性，不利于培養產品研發和設計的能力，仿真軟件的使用可以使學生在虛擬的環境中充分發揮自己的想象，設計出不同的電路方案。
5.結束語
Proteus仿真軟件為集成電路應用等電子類課程的教學提供了比較方便的途徑，解決了很多傳統時間教學無法解決的問題，但它畢竟是虛擬的環境，只能作為教學的補充，要讓學生真正學習到電路的設計、生產、調試和維修方面的技能，還需要多動手接觸實際的電路實物，否則哪怕用的再多，也只能是紙上談兵，不能完全使用虛擬的仿真來替代實際的實驗和實訓。
參考文獻
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作者簡介：
大約從20世紀80年代起，就有許多業內專家宣稱模擬電路已走進死胡同，而數字應用將在電子世界中大放異彩，包括用在通信上的集成電路(integrated circuits，ICs)。在現實中，當然，現代化的通信系統同時需要將模擬及數字功能復雜地融合在一起。
不過有一個問題，比起它的數字同胞，在支持自動化能力這方面，模擬設計及驗證工具卻遠遠落后。其結果，模擬設計工程師的生產力遠不及數字搭檔來得強。
就以數字集成電路設計為例，現代最先進的設計環境提供了高階的自動化，即使是包含上億個晶體管的最復雜設計，也能在短短幾天內重新轉給新的代工廠、同一座代工廠但不同的制程、甚至全新的技術節點。
相對地，缺乏自動化支持的傳統式模擬設計環境，代表模擬電路的制作及修改幾乎全靠人工。這樣的結果，即使把相當簡單的模擬功能轉向新的代工廠、制程或技術節點，也要耗費6～12個月的時間。換言之，雖然尖端的數字設計已經達到32nm的技術節點，絕大多數的模擬設計仍深陷在130nm及250nm節點的泥沼之中，那算是5～10年前的老舊技術了。
首先，本文先提出數字設計及驗證技術演進的概觀，并說明現代最先進數字設計環境在支持高階自動化上的生產力優勢。本文接著提出模擬設計及驗證技術演進的概觀，并且拿來跟數字的自動化能力做對比。
最后，本文討論了模擬工具必須予以強化以支持更高階自動化的方法；同時也闡述了現代化IC設計環境必須強化的方法，以具備足以支持真正的、統一的、全芯片混合信號設計、驗證、及實現的能力。
數字工具的演進
早期的數字IC設計，約20世紀60年代初期，電子電路皆以手工建立。電路圖(原理圖)都是用紙筆及印刷模板以手繪制。這些圖面顯示邏輯門與功能的各式符號，并且用來實現符號之間連線的設計。
執行“功能驗證”時，通常是一群工程師圍坐在桌子旁，通過原理圖兢兢業業地討論：“這部分我看應該沒問題!”同樣地，進行“時序驗證”時，典型的做法也是靠著紙和筆。最后，用來組成晶體管、電阻器及彼此之間互連的架構都是以人工繪制而成的。
毫無疑問，這種手工藝品方式的設計極為耗時，而且很容易出錯。這種情形必須要有解決之道，于是有些公司及大學就率先跳出來，采用各種不同的研究方向。就設計獲取(design capture)而言，門級(gate-level)的“原理圖獲取”套件即在市場上開始出現，至于功能及時序驗證，在20世紀60～70年代初期所看到的，則是先出現以“事件驅動邏輯仿真器”及“靜態時序分析器”為形式的專門程序。
以抽象的門級建立數字設計，就如同使用匯編語言撰寫軟件程序一般。就執行效率及所需的計算機內存數量而言，匯編語言的程序或許是不錯的實施，但它需要很長時間的獲取及確認，而且不容易轉到另一臺計算機上。同樣，門級的表示方式也需要很長的時間獲取及確認，轉移到新的代工廠或制程／技術節點也相當困難。
至于軟件方面，開發者的解決方案則以程序語言(如C語言)的形式，提升至另一個更高層次的抽象概念。然后，這些高級表達式可以編譯成計算機所需的機器級指令。這些高級表達式的優點是，可容許軟件開發者迅速而精準地捕捉到程序的含義，確認其功能。同時，以C語言撰寫的程序可以很容易地轉移到其他的計算機平臺。
同樣，對于數字邏輯而言，設計工程師也開始提升至更高階的抽象概念，稱之為“寄存器傳輸層”(Register Transfer Level，RTL)。在20世紀80～90年代初期登場的“邏輯綜合”(logic synthesis)則用來將RTL表示式編譯成對應的門級網表(netlist)。這項“前端”綜合技術另以“后端”的自動布局布線(place-and-route)引擎補其不足之處，后者可從門級網表，執行設計的物理實現。
循著C語言程序在編譯后能用在不同計算機上的足跡，RTL與邏輯綜合的組合讓數字設計能更輕易地移植到新的代工廠或制程／技術節點。
模擬工具的演進
實際上，模擬電路的計算機輔助設計與驗證工具，在早期是優于數字電路的。模擬電子系統設計在剛起步的時候，電子電路完全靠人工繪制。晶體管層的電路圖完全用紙筆及印刷模板以手工繪制，再搭配基本的“紙筆”分析及驗證。
在設計由離散(獨立封裝)的元器件例如晶體管、電阻器、電容器及電感組成時，通常是建立設計的實體原型，將它放上測試平臺(test bench)，測量實際的數值，以判定性能優異，然后參考元器件所得的數值，新增或移除所需的元器件，以達到期望的效果。
很顯然，這種方法在開始建立第一片模擬IC時并不可行，因為IC設計的工程變更代價非常昂貴。在20世紀60～70年代初期，有幾所大學及商業公司著手開發模擬仿真器。這些程序讓學生及工程師得以仿真模擬電路，而無須實際付諸行動制造。早期的幾個仿真器中，最有名的大概就是“SPICE”(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)，這套程序是由加州大學柏克萊分校所開發，并在70年代初期廣為流傳供大家使用。
隨著時間的演進，模擬仿真在基本模型及算法的復雜度，以及仿真引擎的能力與表現上，有顯著的發展。多數今日所使用的模擬工具都發祥成形于20世紀90年代的初期與中期。和其他不同的是，這些工具的基本結構從未試圖支持混合信號設計環境的復雜需求，一如本文稍后章節的討論。
或許更重要的是，現今的模擬設計及驗證工具在實質上僅限于捕捉及模擬晶體管級的單線圖。到目前為止，有關自動化的成功案例仍屬鳳毛麟爪，例如：
在高階抽象概念上描述模擬功能，然后用來生成等效的晶體管級電路。
自動優化模擬電路。
自動布局布線模擬電路。
最終的結局是，模擬集成電路仍舊大多處于全定制，并以人工方式費心費力繪制。除了非常昂貴、耗時、容易出錯以外，這類晶體管級的設計型態并不容許現有的設計簡簡單單地就能轉換到新的代工廠或制程／技術節點。相反的是，欲移植這類型的設計需要將電路重頭開始，重新實施，耗時9～12個月是常有的事。
這也有助于說明為何最尖端的數字設計目前已邁入32nm的技術節點，但最先進的模擬設計只在90nm節點，而且大部分的模擬設計依然深陷在130nm及250nm節點的泥沼中，那算是5～10 年前的老舊技術了。
模擬自動化的要求
此處所說的要求可以簡要地說明之；如何實際達成可說非常地復雜。最低限度，強化后的模擬設計工具必須能提供與數字設計相類似的自動化及生產力能力。這些自動化能力應包括但不限于以下：
在高階抽象概念下確認模擬功能的能力，然后自動將表示式編譯成等價的晶體管層級。
自動執行模擬精細改進及優化的能力。
自動在IC上布局模擬零組件的能力。
自動在IC上布線模擬零組件的能力。
從某制程／技術節點自動移植模擬設計制程至另一個，以及從某代工廠移植至另一家的能力。
從某方面來說，需考慮的最后一點就是所有其他點的疊合。老實說，需耗費6～12個月才能將模擬設計轉移到新的技術節點早已令人無法接受。若能透過自動化將此過程降低到僅需數天的時間，模擬功能即可享受到功耗及最新技術節點性能特征的完全優勢。
混合信號的考慮
直到最近，大部分的集成電路在性質上若不是純數字，就是純模擬。因此，很自然地，任何用來設計或驗證這些器件所使用的計算機輔助設計工具，都是只為數字或只為模擬的領域單獨設計的。
初期的通信系統是由一大堆相當簡單的模擬及數字IC所組成。隨著時間的歷程，為了滿足多樣化的要求，例如尺寸、成本、功率、性能及可靠度，越來越多的功能結合在越來越少的芯片上。開始只是將多種模擬功能合并在特定的模擬芯片上，將多種數字功能合并在數字芯片上。直到最近，終于將模擬及數字功能結合在單一的混合信號裝置上。
經過這些年的發展，雖然傳統的模擬與數字設計及驗證工具，在容量及性能上已有長足地進步，但其最基本的底層架構大部分仍是以20世紀90年代中期的技術為基礎，而這些工具依舊專注在模擬或數字的領域。舉一個簡單的例子，模擬與數字的工具及流程使用不同的數據庫，因此這兩個領域之間的交互非常困難。其結果是數字及模擬的設計團隊向來都是井水不犯河水，甚少關注對方到底是在研究什么。
即使是現代“最先進”的混合信號及全定制設計環境，數字與模擬團隊大多還是各自獨立作業，甚少涉足到對方的領域中。在芯片最后整合(chip finishing)的階段，也就是將模擬模塊和數字模塊擺放在一起并走線的時候，兩個團隊才首次見面并互相介紹認識，這種情況并不罕見。
芯片最后整合通常是以人工的方式執行，其中發生在芯片投片之前的就有許多工作。由于缺少自動化，芯片最后整合活動及動作常常不能反饋回原來的模塊設計，這有可能導致成為下一代芯片在設計重用上產生問題。
總結
關鍵詞：跨導運算放大器；增益增強；全差動;開關電容共模反饋
中圖分類號：TN402 文獻標識碼：B
文章編號：1004373X(2008)0507903
A Fully Differential Gain-Boosted Operational Transconductance Amplifier
WU Xiaolei1，GONG Min1，CHEN Lan2
(1.School of Physical Science and Technology,Sichuan University,Chengdu,610065,China;
2.Institute of Microelectronics,Chinese Academy of Science,Beijing,100029,China)
Abstract：A low voltage fully differential gain-boosted CMOS operational transconductance amplifier is designed.The main op amp is a folded-cascode op amp with a pair of PMOS inputs,and two auxiliary op amps are designed to enhance the output impedance and the open loop gain.The main op amp emploies an improved SC-CMFB circuit,which characterizes faster settling time and higher accuracy than the traditional circuit.The OTA is designed in SMIC 0.18μm mixed-signal CMOS technology with 1.8V power supply.The simulation results show that the DC open-loop gain is 92-2 dB and the unity-gain bandwidth is 504 MHz.
Keywords：
OTA;gain-boosted;fully differential;switched-capacitor CMFB
1 引 言
在模擬集成電路設計領域，如在開關電容濾波器、AD轉換器等電路中，運算跨導放大器(OTA)是十分重要的模塊。在運放的設計中，他的各項參數之間存在著折衷。開環直流增益和單位增益帶寬(GBW)是兩個重要的參數，開環直流增益決定著運算放大器的精度，比如要保證增益誤差在0-01%~0-1%以內，至少需要60~80 dB的低頻增益;GBW則決定著運放的速度。
相對于單端輸出的運放，全差動運放有以下優點[1]：對共模噪聲的抑制；較大的輸出擺幅；消除偶次諧波失真；在開關電容電路中可以通過增加一個開關消除電荷注入效應[2]。因此盡管全差動運放需要額外的共模反饋(CMFB)電路來穩定輸出電壓，但目前高性能模擬電路仍大多采用全差動的工作方式。
在深亞微米設計中，溝道長度調制效應隨著溝道長度的縮短越來越明顯，使得器件的本征增益受到限制，而增益增強技術[3]可以有效提高運放的增益并且不會影響頻率特性。本文采用增益增強技術，在1-8 V電源電壓下，設計了一種全差動低功耗的運算跨導放大器。采用一種改進的SC- CMFB電路，在不占用更多芯片面積的前提下有更快的建立時間和更高的精度。
2 電路原理與結構
2.1 電路原理與結構
如圖1所示，在兩條共源共柵支路上，輔助運放A1和A2從支路電流取樣，控制M3~M6的柵極電壓，相當于給M3~M6引入了電流串聯負反饋，由負反饋的理論[1]可知，這種類型的負反饋將使每條支路輸出阻抗提高A1或A2倍。
在沒有兩個輔助運放A1和A2時，輸出點的阻抗為：
2.2 主運放結構的選擇
目前流行的OTA結構中，套筒結構有最優秀的性能，但遺憾的是他的輸出擺幅受限，因此不適用于低電壓設計。折疊共源共柵結構有更大的輸出擺幅以及可以使輸入和輸出短接，共模輸入電平也更容易選取，所以得到了廣泛的應用。本設計主運放采用折疊共源共柵結構，總體電路如圖1所示。
選擇P管使得次極點較遠，有較好的頻率特性，并優化了1/f噪聲。另外對于Gain-Boost，后面會看到輔助運放單位增益頻率的選擇也受到主運放帶寬和第一非主極點的限制，P輸入對管兩個極點距離較遠，也使得設計更為方便。
2.3 輔助運放結構
兩個輔助運放也為折疊共源共柵結構，其中A1管輸入共模電平較低，用PMOS作為輸入對管，A2則采用N管輸入。輔助運放的共模反饋電路采用連續時間共模反饋，因為輔助運放驅動的負載電容較小，為不影響帶寬，開關電容電路勢必需要更小的電容，導致時鐘饋通效應、電荷注入效應更加明顯；另外輔助運放不需要大的輸出擺幅，采用連續時間共模反饋也能使建立時間更短。輔助運放A1及其共模反饋電路如圖2所示(A2結構與此類似)。
3 電路設計
3.1 開關電容共模反饋
主運放采用開關電容共模反饋，具有大的輸出擺幅并且幾乎不消耗靜態功耗等優點。圖3為一種常用的SC-CMFB結構。
在一些手提及電池供電系統中要求有電源關斷模式以降低功耗，因此開關電容共模反饋的建立時間是重要的，他決定了模擬電路從電源開啟或從關斷模式到激活模式的過渡能否可靠工作。基于以上考慮，本設計采用的一種SC-CMFB電路[5],如圖4所示。
SC-CMFB電路何時開始工作取決于C2上的電壓何時建立到Vcm-Vb，圖4所示電路在F1和F2兩個周期都有C1和C2并聯，給C2充電，理論上講將有比圖3的電路快一倍的建立時間。另外，由于在C2兩旁的時鐘總有相反的相位，當一個開啟時，另一個關斷，使得時鐘饋通效應和溝道電荷注入效應都得到了抑制，C2的值也可選得更小。
開關電容的選取原則：
(1) Ct=C1+C2連到了運放輸出端，這增加了運放的總負載，要求Ct盡量小；
(2) 共模環路也要求有足夠的帶寬以抑制共模擾動，一般要設為等于或大于差模環路帶寬的1/2[4]，這要求Ct不能太小；
(3) C1和C2的比值決定了電壓收斂的速度(C2,C1以及兩旁的開關實際上組成一個SC的一階低通濾波器，輸入為直流電壓Vcm- Vb)，另外選擇C1大于C2還可以減小電荷注入誤差和泄漏電流誤差。
根據以上規則，經過計算和仿真調整，選擇C1=120 fF，C2=20 fF已能滿足要求。圖5為分別使用圖3和圖4電路的輸出共模電平建立時間仿真圖，兩種結構選擇相同的總電容。時鐘周期為50 ns，圖中可見，改進的SC-CMFB電路有更快的建立時間和更理想的穩定電壓值。
3.2 輔助運放設計
在設計輔助運放時必須注意零極點的偶對(doublet)現象，如果偶對出現在系統的-3 dB點以內，則會使系統的建立時間加長。在Gain-Boost中，偶對通常出現在輔助運放的單位增益頻率附近，提高偶對的發生頻率可以避免他對建立時間的影響，但如果提高到主運放次極點附近時，將會使運放出現不穩定。因此輔助運放的設計必須滿足[6,7]：
│陋│鬲u≤ωa≤ωp,2
其中β為閉環系統反饋系數，ωu為主運放的單位增益帶寬，ωa為輔助運放的單位增益帶寬，ωp,2為主運放第一非主極點頻率。在設計中先假設β=1，這樣對于更低β值也能滿足條件。主運放第一非主極點的位置不好確定，可以選擇輔助運放單位增益頻率略大于主運放的單位增益頻率，根據仿真結果看是否需要調整或加補償電容。
4 電路仿真
電路采用中芯國際(SMIC)0-18 μm混合信號工藝設計，1-8 V電壓供電，在Hspice中進行仿真驗證，仿真時，負載電容CL取0-75 pF，加上共模反饋電路電容和輸出寄生電容，輸出端總負載電容實際約為1 pF。圖6所示是運放的頻率響應。
運放的低頻增益為92-2 dB，單位增益帶寬為504 MHz，相位裕量為78°。把運放接為單位增益模式，測量出建立時間為4-5 ns(0.1%建立誤差)，壓擺率為530 V/μs。運放的其他一些主要參數示于表1中。
表1 OTA主要性能參數
5 結 語
本文對增益增強技術的工作原理進行了分析，并利用0-18 μm混合信號工藝設計了一個全差動跨導運算放大器，采用了一種改進的SC-CMFB電路，有更快的共模電平建立時間和更高的精度。仿真結果表明，在1-8 V電源電壓下可以達到92-2 dB的直流增益、504 MHz帶寬和78°的相位裕量，功耗也僅為3-2 mW。該OTA可用于高速A/D轉換器等領域。
參考文獻
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關鍵詞：EWB；電子電路仿真設計
1 軟件的性能和特點
(1)采用直觀的圖形界面創建電路：在計算機屏幕上模仿真實實驗室的工作臺，繪制電路圖需要的元器件、電路仿真需要的測試儀器均可直接從屏幕上選取。
(2)軟件儀器的控制面板外形和操作方式都與實物相似，可以實時顯示測量結果。
(3)EWB軟件帶有豐富的電路元件庫，提供多種電路分析方法。
(4)作為設計工具，它可以同其它流行的電路分析、設計和制板軟件交換數據。
(5)EWB還是一個優秀的電子技術訓練工具，利用它提供的虛擬儀器可以用比實驗室中更靈活的方式進行電路實驗，仿真電路的實際運行情況，熟悉常用電子儀器測量方法。
2 軟件的操作說明
2.1 元件與信號源
EWB軟件的工作界面具備美觀大方、簡捷明了的特點。在基本工作區上方有菜單欄、工具欄、元件庫欄。從菜單欄可以選擇所需的各種命令，從元件庫欄中根據圖標選擇所需要的的元件或儀表，使用鼠標拖放操作安放元器件到工作平臺，完成實驗電路連接。選中虛擬儀器圖標，通過使用鼠標拖放操作，可以安放儀器儀表，設置好儀器儀表的參數后，按下仿真開關控制電路的運行與停止，即可觀察測試結果，在基本工作區下方是電路描述窗口，可根據需要輸入有關電路的介紹或說明。
EWB提供了豐富的元器件庫，根據不同類型可分成：信號源和電源庫，基本元件庫、二極管庫、三極管庫、模擬集成電路庫、數字集成電路庫、邏輯門電路庫、數字觸發器庫、指示器件庫、控制器件庫、雜元件庫和自定義庫。
在設計電路時，設計人員根據需要從該庫中進行查找與選取元器件，對選中的元件用鼠標左鍵將其拖放到電子平臺工作區，同時可利用旋轉、平翻、直翻調整元件方向。為了使電路便于連線，圖形整齊，還可以通過鼠標操作對元件進行移動、復制與刪除。為了使電路連接簡單明了，還可以將一些常用電路定為子電路，子電路相當于用戶自己定義的小型模塊電路，存放在自己定義的元件圖標庫里，供以后反復調用。
2.2 虛擬儀器儀表的使用
EWB提供七種虛擬儀器，每種只有一臺，在電路設計中，每種儀器只可使用一次，這是其軟件設計的局限性，而目前其升級版本Multisim已將虛擬儀器增加到11個，而且同一種儀器可以多次取用。
模擬儀器儀表主要包括萬用表、函數發生器、示波器、波特圖儀(掃頻儀)以及電壓表、電流表，數字儀器儀表包括數字發生器、邏輯分析儀、邏輯轉換器。這些儀器儀表(除波特圖儀)，在接入電路后，開啟仿真開關，若改變電路的測試點，則顯示的數據和波形也會相應變化，而不用重新啟動電路。EWB的虛擬測試設備能提供快捷簡單的分析，主要包括直接工作點，瞬態，交流頻率掃描，付立葉、噪聲、失真度、參數掃描、零極點、傳遞函數、直流靈敏度、交流靈敏度、最差情況、蒙特卡洛法等14種分析工具，可以在線顯示圖形并具有很大的靈活性。
3 軟件在廣播電視技術工作中的實際應用
3.1 在廣播電視技術培訓工作中的應用
EWB軟件是一款優秀的EAD軟件，推出后得到了社會各界的好評。尤其是在教育領域取得了巨大的成功，許多院校把EWB作為電子類專業課教學和實驗的各種輔助手段，最大限度的滿足了廣大學生和工程技術人員的迫切需求。針對軟件的這種特殊效能，近年來在廣播電視技術領域中，EWB也同樣得到了普遍應用，尤其是許多單位把EWB 軟件應用在了技術隊伍培訓工作中收效顯著。廣播電視高新技術的快速發展，對廣播電視技術從業人員的整體素質提出了更高要求，需要廣泛開展技術培訓工作，但是在職教育和在校學習有著很大的差別，資金、場地、設備、設施等諸多因素制約了技術培訓工作的良性發展，EWB軟件的應用不僅較好的解決了這一問題，而且體現了三個優越特點：(1)節約資金、高質高效；(2)功能強大、直觀形象；(3)操作簡便、方便普及。許多單位還把EWB軟件應用在了廣播電視技術能手競賽中，更是得到了意想不到的效果。通過對軟件的應用不僅克服了客觀條件給技術競賽多形式、多層面開展帶來的制約，同時也可以全面的考查參賽選手的實踐技能，為展示技術人員的綜合技術水平搭建了最佳平臺。
3.2 利用EWB軟件進行電子電路仿真設計
EWB的優越性能為激發廣大技術人員的潛在智能提供了廣闊空間。利用EWB可以設計簡單、復雜、模擬、數字等各式電路。這為廣大技術人員開展技術改造、技術革新工作提供了非常實用的工具。尤其是廣播電視發射設備的固態化、數字化、自動化的發展方向，使計算機輔助設計、測量、維護等在廣播電視技術領域得到廣泛的應用，EWB軟件的出色性能表現，也得到了廣大技術人員的青睞。下面僅以雙音報警器電路的仿真實驗為例，向大家簡單介紹其電路設計與分析。首先設計電路原理圖(見圖1)并根據電路需要選擇所需元件參數。
圖1
用鼠標將元件、儀器拖到電子工作平臺，根據電路原理圖調整元件，儀器布局，并設定元件標值，調整儀器設置的選項，按通仿真開關，即可進行仿真實驗，如果電路設計、連接正確，此時揚聲器應該發出“滴、嘟、滴、嘟”…..的雙聲音，用示波器觀察IC1、IC2的輸出波形，應該是頻率不同的兩個方波(見圖2)，可通過打印機打印出來，進行實際電路的組裝。
圖2
此電路原理主要是應用555時基電路組成兩個多諧振蕩器，用IC1輸出的方波信號通過R5去控制IC2的5腳電平，當IC1輸出高電平時，IC2的振蕩頻率低，當IC1輸出低電平時，IC2的振蕩頻率高，因此IC2的振蕩頻率被IC1的輸出電壓調制為兩種音頻頻率，所以揚聲器發出雙音聲響。此電路可應用在發射臺鐵塔匹配間防盜報警，也可在改進后應用于水箱上水報警等其他方面。
參考文獻
關鍵詞:模擬電路;故障診斷;小波分析法
中圖分類號:TN108.7 文獻標識碼:A文章編號:1007-9599 (2010) 01-0000-01
模擬電路發生了故障,就不能達到設計時所規定的功能和指標,這種電路稱為故障電路。故障診斷就是要對電路進行一定的測試,從測試結果分析出故障。模擬電路故障診斷是電路分析理論中的一個前沿領域。它既不同于電路分析,也不屬于電路綜合的范疇。模擬電路故障診斷所研究的內容是當電路的拓撲結構已知,并在一定的電路激勵下知道一部分電路的響應,求電路的參數,他是近代電路理論中新興的第三個分支。
一、模擬電路故障
電路誕失所既定的功能稱為故障,在模擬電路中的故障類型及原因如下:從故障性質來分有早期故障、偶然故障和損耗故障。早期故障是由設計、制造的缺陷等原因造成的、在使用初期發生的故障,早期故障率較高并隨時間而迅速下降。偶然故障是由偶然因素造成的、在有效使用期內發生的故障,偶然故障率較低且為常數。損耗故障是由老化、磨損、損耗、疲勞等原因造成的、在使用后期發生的故障,損耗故障率較大且隨時間迅速上升。從故障發生的過程來分有軟故障、硬故障和間歇故障。軟故障又稱漸變故障,它是由元件參量隨時間和環境條件的影響緩慢變化而超出容差造成的、通過事前測試或監控可以預測的故障。硬故障又稱突變故障。它是由于元件的參量突然出現很大偏差(如開路、短路)造成的、通過事前測試或監控不能預測到的故障。從同時故障數及故障間的相互關系來分有單故障、多故障、獨立故障和從屬故障。單故障指在某一時刻故障僅涉及一個參量或一個元件,常見于運行中的設備。多故障指與幾個參量或元件有關的故障,常見于剛出廠的設備。
二、模擬電路故障測試的傳統方法
一般來講,模擬電路故障診斷的方法可以分為估計法,測試前模擬法和測試后模擬法三大類。估計法是一種近似法,這類方法一般只需較少的測量數據,采用一定的估計技術,估計出最可能發生故障的元件。這類方法又可分為確定法和概率法。確定法依據被測電路或系統的解析關系來判斷最可能的故障元件,概率法是依據統計學原理決定電路或系統中各元件發生故障的概率,從而判斷出最可能的故障元件。
測前模擬法又稱故障字典法或故障模擬法,其理論基礎是模式識別原理,基本步驟是在電路測試之前,用計算機模擬電路在各種故障條件下的狀態,建立故障字典;電路測試以后,根據測量信號和某種判決準則查字典。從而確定故障。選擇測試測量點是故障字典法中最重要的部分。為了在滿足隔離要求的條件下使測試點盡可能少,必須選擇具有高分辨率的測試點。
測后模擬法又稱為故障分析法或元件模擬法,是近年來雖活躍的研究領域,其特點是在電路測試后,根據測量信息對電路模擬,從而進行故障診斷。根據同時可診斷的故障是否受限,SAT又分為任意故障診斷(或參數識別技術)及多故障診斷(或故障證實技術)。
三、模擬電路的故障測試的創新方法――小波分析法
1.小波分析法是基于神經網絡的模擬測試
基于神經網絡的模擬從測試點提取電壓信號特征進行故障診斷,而從電源電流測試角度開展的工作還十分有限。模擬電路中的電流是一個重要的參數,也是故障信息的重要組成部分,包含著電路拓撲結構的豐富信息。若電路發生故障,輸出電流波形將隨之發生相應變化,含有豐富的故障類信息。對任一電路而言,電源節點是通用的,測量也比較方便,特別是目前模擬/混合電路的集成度與復雜度不斷提高,可利用的測試管腳有限,給測試和診斷帶來極大困難,因此對電源電流測試的研究具有重要意義。
小波變換具有同時在時-頻域分析信號、大量壓縮數據的屬性,對采樣數據經小波變換預處理后,能有效提取故障特征,簡化了神經網絡結構、提高了訓練速度。小波變換具有同時在時-頻域分析信號、大量壓縮數據的屬性,已廣泛應用于信號檢測、故障診斷等研究領域。在模擬集成電路故障診斷中,小波變換用來預處理采樣數據,提取故障特征。二進小波變換通過多分辨分析算法來實現,將信號分解為近似(低頻)和細節(高頻)兩部分,分別對近似和細節繼續分解,形成信號的多層分解結構。
2.基于小波分析的模擬電路故障診斷
在電路信號的特征提取中,常采用頻譜分析的方法。但是基于統計分析的傅立葉分析僅對不隨時間變化的平穩信號十分有效,對于模擬電路響應信號中通常含有非平穩或時變信息卻不能有效地提取故障特征。另外,模擬電路中含有大量噪聲,若直接將高頻成分當作噪聲成份舍棄會造成有效成分的損失,若單純對電路的輸出進行分析,會導致故障模糊集較多,分辨率不高。而小波分析所具有的時頻局部化特性、良好的去噪能力,無需系統模型結構的優勢使之成為分析和處理此類信號的有效工具,也是目前在模擬電路故障診斷領域使用最多的一種特征提取方法,對模擬電路中的軟、硬故障均適用。
小波分析的基本原理是通過小波母函數在尺度上的伸縮和時域上的頻移來分析信號,適當選擇母函數可使擴張函數具有良好的局部性,非常適合對非平穩信號進行奇異值分析,以區分信號的突變與噪聲。小波分析技術實現時與神經網絡有兩種結合方式:一是松散型結合,二是緊致型結合。
總之,模擬電路故障診斷的主要任務是在已知網絡的拓撲結構、輸入激勵信號和故障下的響應時,求解故障元件的物理位置和參數。模擬電路故障診斷理論和方法自研究以來,取得了很多成就,也提出了不少故障診斷方法。
參考文獻:
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可編程模擬器件（Programmable Analog Device）是近年來嶄露頭角的一類新型集成電路。它既屬于模擬集成電路，又同可編程邏輯器件一樣，可由用戶通過現場編程和配置來改變其內部連接和元件參數從而獲得所需要的電路功能。配合相應的開發工具，其設計和使用均可與可編程邏輯器件同樣方便、靈活和快捷。與數字器件相比，它具有簡潔、經濟、高速度、低功耗等優勢；而與普通模擬電路相比，它又具有全集成化、適用性強，便于開發和維護（升級）等顯著優點，并可作為模擬ASIC開發的中間媒介和低風險過渡途徑。因此，它特別適用于小型化、低成本、中低精度電子系統的設計和實現，未來其應用將會日益廣泛。
1 內部結構與基本原理
通用型可編程模擬器件主要包括現場可編程模擬陣列（FPAA）和在系統可編程模擬電路（ispPAC）兩大類。二者的基本結構與可編程邏輯器件相似，主要包括可編程模擬單元（Configurable Analog Block，CAB）、可編程互連網絡（Programmable Interconnection Network）、配置邏輯（接口）、配置數據存儲器（Configuration Data Memory）、模擬I/O單元（或輸入單元、輸出單元）等幾大部分，如圖1所示。模擬I/O單元等與器件引腳相連，負責對輸入、輸出信號進行驅動和偏置、配置邏輯通過串行、并行總線或在系統編程（ISP）方式，接收外部輸入的配置數據并存入配置數據存儲器；配置數據存儲器可以是移位寄存器、SRAM或者非易失的E2PROM、FLASH等，其容量可以數十位至數千位不等；可編程互連網絡是多輸入、多輸出的信號交換網絡，受配置數據控制，完成各CAB之間及其與模擬I/O單元之間的電路連接和信號傳遞；CAB是可編程模擬器件的基本單元，一般由運行放大器或跨導放大器配合外圍的可編程電容陣列、電阻陣列、開關陣列等共同構成。各元件取值及相互間連接關系等均受配置數據控制，從而呈現不同的CAB功能組態和元件參數組合，以實現用戶所需的電路功能。CAB的性能及其功能組態和參數相合的數目，是決定可編程模擬器件功能強弱和應用范圍的主要因素。
數模混俁可編程器件可看作是可編程模擬器件的推廣形式。以SIDSA公司（sidsa.con/fipsoc）的FIPSOC系列（數模混合現場可編程片上系統）為例，它既包含有模擬的可編程單元和互連網絡，又包含有由邏輯宏單元和開關矩組成的FPGA，還包含有A/D、D/A轉換器和用于配置與控制的嵌入式微處理器等要，可用于片上系統（SOC）的開發與實現。但其模擬部分的規模較小，主要面向數據采集、實時監控等特定應用。
2 基本開發流程
可編程模擬器件開發的主要步驟依次為：（1）電路表達，即根據設計任務，結合所選用的可編程模擬器件的資源、結構特點，初步確定設計方案；（2）分解與綜合，即對各功能模塊進行細化，并利用開發工具輸入或調用宏函數自動生成電原理圖；（3）布局布線，即確定各電路要素與器件資源之間的對應關系以及器件內部的信號連接等。可自動或手動完成；（4）設計驗證，即對設計進行仿真（根據器件模型和輸入信號等，計算并顯示電路響應），以初步確定當前設計是否滿足功能和指標要求。如果不滿足，應返回上一步驟進行修改；（5）由開發工具自動生成當前設計的編程數據和文件；（6）器件編程，即將編程數據寫入器件內部的配置數據存儲順。一般通過在線配置方式完成，也可利用通用編程器脫機編程；（7）電路實測，即利用儀器對配置后的器件及電路進行實際測試，詳細驗證其各項功能和指標。如果發現問題，還需返回前有關步驟加以修改和完善。可編緝模擬器件設計的基本流程圖如圖2所示。
該流程主要在微機上利用開發工具完成，基本可做到“所見即所得”。以往由于元件超差、接觸不良等實際因素造成的延誤和返工可基本消除，對設計者的要求也大大降低。
3 主流器件與核心技術
FAS公司（zetex.com）的TRAC系列現有TRAC020、TRAC020LH（微功耗版本）、ZXF36Lxx(模擬門陣列)等器件，采用電壓運行算技術一一以隨時間連續變化的模擬電壓為信號參量。其CAB由運放配置電阻、電容、多路模擬開關等組成，可編程互連網也主要利用模擬開關實現。利用配置數據控制多路模擬開發即可改變CAB的內部連接（即功能組態）；改變一組按特定規律取值的同類元件（電阻或電容）之間的連接關系，獲得所需的等效元件取值；改變各CAB間的信號傳遞關系等。
該系列具有接近常規器件的優良特性（如閉環帶寬可達12MHz），面向模擬計算的器件結構和便于向ASIC移植的產品線。其CAB具有加（ADD）、取負（NEG）、對數（LOG）、反對數（ANT）、積分（AUX-def）、微分（AUX-int）等運行型功能組態，設計得可根據設計目標的數字描述或信號流圖，利用開發工具以繪制框圖方式完成電路設計而無須考慮其內部細節。缺點是可編程能力較強，器件內部連接基本固定（參見圖3），僅能利用NIP（直通）和OFF（斷開）功能組態或外部連接線（Link）等加以改變；器件內電阻等元件均取值固定，須外接RC元件來改變有關的電路參數。設計過程的自動化程度和電路的整體集成度也因而降低。
Lattice公司的ispPAC系列等采用跨導運算技術，以模擬電流作為主要信號參量，以跨導運算放大器（OTA）取代電壓運算放大器，以基于OTA的有源元件取代部分無源元件。該類器件利用D/A轉換器按照配置數據改變OTA的偏置電流，從而改變其互導增益gm和電壓放大器增益Au，實現對CAB的配置和參數調整。由于在IC中易于改變且調整范圍較大，控制精確較高，因此該類器件的參數變化范圍和分辨率均可顯著提高。此外，該類器件還具有電流模電流共有的高速、低電壓、低功耗、寬動態范圍、高穩定性等優點。
ispPAC系列包括PAC10、PAC20、PAC30等通用型器件和PAC80、PAC82等ISP濾波器。以PAC10為例（參見圖4），其可編程模擬單元（PAC Block）以兩個增益可配置（±1～±10）的跨導型儀表放大器作為輸入級，以運放、有源反饋元件（跨導放大器）和電容陣列（7個電容可組合出128種等效電容）等構成輸出級，可實現放大、迭加、積分和濾波等功能且精度較高；其模擬布線池可靈活地配置器件內部及其與引腳之間的連接關系；自校準單元可自動測量輸出失調并利用專用DAC加以補償；ISP接口支持在系統編程和數據保密。因此，ispPAC的電路性能與可編程能力俱佳。PAC20等還配有DAC和遲滯比較器，僅需單片便可構成的監控系統。
Anadigm公司（anadigm.com）的AN10E40器件則采用開關電容技術（同MOTOROLA原產的MPAA020），通過改變電容比或開關電容的時鐘頻率來配置電路參數。其內部為典型的陣列式結構（參見圖1），由CAB、模擬I/O單元和分布其間的布線資源及可編程時鐘資源等組成，信號帶寬約250kHz。其CAB由運放、電子開關和開關電容等組成（參見圖5），對信號來原、去向和各電容容量（均有256種選擇）等均可靈活配置。可編程時鐘資源則為各開關電容提供所需的時鐘頻率（共32種分頻比）和相位（每種頻率4種）。這樣，單個CAB即可實現整流器、放大器、可編程比較器和一階濾波器等信號調理功能；將多個CAB加以組合、連接，便可實現高階濾波器、脈寬調制器等更為復雜的電路。由于現有IC工藝可制造的電阻和電容范圍有很且誤差較大，而電容比的制造精度較高（<0.1%），因此該類器件的電路精度較高，可編程能力較強而制造成本較低，但信號帶寬較小，內部噪聲較大。
