利用模擬工具優(yōu)化電路設(shè)計

我和同事在旅館酒吧閑聊了一天。之前，我們已經(jīng)會見了幾位客戶。我們都在思考著一個問題：我們會見的這些工程師怎么幾乎一點都不了解模擬技術(shù)呢。我認為，這些應(yīng)屆畢業(yè)生設(shè)計工程師所掌握的模擬技術(shù)知識，與我們畢業(yè)時的前輩所了解的知識不同，僅此而已。我的同事卻說：“如果他們不知道這些原理，而大學也不教授這些內(nèi)容，那結(jié)果會怎么樣呢？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(shè)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(shè)計基礎(chǔ)等，而是大學課堂上沒有深入講解的一些內(nèi)容：非理想組件、電路噪聲原因、誤差預算和誤差分析。

　　在設(shè)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，幫助實現(xiàn)更快速的產(chǎn)品設(shè)計。在設(shè)計過程中，他們需要對所使用的工具充滿信心，相信這些工具能夠指導他們正確地完成設(shè)計工作，因為他們可能并沒有相關(guān)的設(shè)計經(jīng)驗，也可能沒有接受過相關(guān)培訓。

　　這也就是半導體制造廠商經(jīng)常會涉足設(shè)計工具的原因[1]。例如，TI 的 SwitcherPro [2] 便是一種幫助人們進行開關(guān)式電源設(shè)計的程序，而 FilterPro [3] 則是一種有源濾波器設(shè)計程序。兩者都不是仿真器，而是設(shè)計生成工具。缺乏設(shè)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(jié)省大量的時間。

　　20多年前，這些設(shè)計生成工具才開始為人們所用?；叵氘斈?，我還是一個“菜鳥”工程師時，我的設(shè)計生成相關(guān)知識是從教科書 ，Burr-Brown 系列模擬手冊（現(xiàn)已絕版多年）或者我所推崇的《現(xiàn)代電子電路參考手冊》[4]（一本 3 英寸厚的世界電子出版物電路摘要，有時稱作電路“設(shè)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(chǔ)知識。

　　半導體制造廠商也會提供一些參考設(shè)計。這些設(shè)計已遠非基礎(chǔ)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設(shè)計運行所需的固件或者軟件。毫無疑問，利用這些參考設(shè)計或者設(shè)計指導電路，可以讓你更快速地開始設(shè)計工作。

　　自 20 世紀 70 年代早期以來，SPICE [5] 一直都是電路設(shè)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發(fā)更是如此，因為制造樣機的成本奇高無比，在轉(zhuǎn)入生產(chǎn)以前對電路的行為進行模擬是電路設(shè)計中的一個巨大進步。

　　它是如此的普遍，以至于大多數(shù)電子元器件制造廠商都會提供其器件的 SPICE 宏模型，以幫助電路板級設(shè)計人員在 PCB 投入制造以前對其電路進行模擬。從 SPICE 模型發(fā)展而來的 IBIS 模型和軟件，可以讓 PCB 設(shè)計人員對其 PCB 設(shè)計的信號完整性進行驗證[6]。

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

　　TI 提供一種被稱作 TINA-TI [7] 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，從專家到新手，各種層次都有。當TINA-TI 沒有告知他們其電源反向連接運算放大器時，一些工程師會變得無所適從-仿真器會不知道嗎？答案是否定的，仿真器不知道那樣做是錯誤的，也不知道那樣做會讓你的 PCB 組件冒煙。

　　SPICE 只不過是執(zhí)行電路分析所需數(shù)學運算的一個計算機程序而已，其運算速度通常要比你用鉛筆和紙更快?！巴ǔ！笔且驗?，SPICE非常擅長于某些事情，如：線性電路，同時有些事情卻并不擅長，如：一些現(xiàn)代電源中都會有的開關(guān)電路。使用相當長的時間來模擬開關(guān)式電源有一個問題：需要對已經(jīng)編寫好的模擬程序進行優(yōu)化，用以對這些電源電路進行模擬。

　　其它專用仿真器用于解決 RF 電路問題?！胺抡妗鄙婕暗膽?yīng)用極為寬泛，因此一種模擬解決方案可能并非一個完整系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)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計算方法來完成這項工作。將分析結(jié)果同要求比較，讓你相信所設(shè)計的電路在所有工作狀態(tài)和制造條件下均能夠滿足這些要求；或者，它會告訴你需要嘗試使用其它方法。