時(shí)間：2023-10-13 16:13:50
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)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(shè)計(jì)，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
2001年我國新增“集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)”本科專業(yè)，2003年至2009年，我國在清華大學(xué)、北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等高校分三批設(shè)立了20個(gè)大學(xué)集成電路人才培養(yǎng)基地，加上原有的“微電子科學(xué)與工程”專業(yè)，目前，國內(nèi)已有近百所高校開設(shè)了微電子相關(guān)專業(yè)和實(shí)訓(xùn)基地，由此可見，國家對(duì)集成電路行業(yè)人才培養(yǎng)的高度重視。在新形勢(shì)下，集成電路相關(guān)專業(yè)的“重理論輕實(shí)踐”、“重教授輕自學(xué)輕互動(dòng)”的傳統(tǒng)人才培養(yǎng)模式已不再適用。因此，探索新的人才培養(yǎng)方式，改革集成電路設(shè)計(jì)類課程體系顯得尤為重要。傳統(tǒng)人才培養(yǎng)模式的“重理論、輕實(shí)踐”方面，可從課程教學(xué)學(xué)時(shí)安排上略見一斑。例如：某高校“模擬集成電路設(shè)計(jì)”課程，總學(xué)時(shí)為80，其中理論為64學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)為16學(xué)時(shí)，理論與實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)比高達(dá)4∶1。由于受學(xué)時(shí)限制，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容很難全面覆蓋模擬集成電路的典型結(jié)構(gòu)，且實(shí)驗(yàn)所涉及的電路結(jié)構(gòu)、器件尺寸和參數(shù)只能由授課教師直接給出，學(xué)生在有限的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)內(nèi)僅完成電路的仿真驗(yàn)證工作。由于缺失了根據(jù)所學(xué)理論動(dòng)手設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)，計(jì)算器件尺寸，以及通過仿真迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，使得眾多應(yīng)屆畢業(yè)生走出校園后普遍不具備直接參與集成電路設(shè)計(jì)的能力。“重教授、輕自學(xué)、輕互動(dòng)”的傳統(tǒng)教學(xué)方式也備受詬病。課堂上，授課教師過多地關(guān)注知識(shí)的傳授，忽略了發(fā)揮學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，導(dǎo)致教師教得很累，學(xué)生學(xué)得無趣。
2集成電路設(shè)計(jì)類課程體系改革探索和教學(xué)模式的改進(jìn)
2014年“數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)”課程被列入我校卓越課程的建設(shè)項(xiàng)目，以此為契機(jī)，卓越課程建設(shè)小組對(duì)集成電路設(shè)計(jì)類課程進(jìn)行了探索性的“多維一體”的教學(xué)改革，運(yùn)用多元化的教學(xué)組織形式，通過合作學(xué)習(xí)、小組討論、項(xiàng)目學(xué)習(xí)、課外實(shí)訓(xùn)等方式，營造開放、協(xié)作、自主的學(xué)習(xí)氛圍和批判性的學(xué)習(xí)環(huán)境。
2．1新型集成電路設(shè)計(jì)課程體系探索
由于統(tǒng)一的人才培養(yǎng)方案，造成了學(xué)生“學(xué)而不精”局面，培養(yǎng)出來的學(xué)生很難快速適應(yīng)企業(yè)的需求，往往企業(yè)還需追加6～12個(gè)月的實(shí)訓(xùn)，學(xué)生才能逐漸掌握專業(yè)技能，適應(yīng)工作崗位。因此，本卓越課程建設(shè)小組試圖根據(jù)差異化的人才培養(yǎng)目標(biāo)，探索新型集成電路設(shè)計(jì)類課程體系，重新規(guī)劃課程體系，突出課程的差異化設(shè)置。集成電路設(shè)計(jì)類課程的差異化，即根據(jù)不同的人才培養(yǎng)目標(biāo)，開設(shè)不同的專業(yè)課程。比如，一些班級(jí)側(cè)重培養(yǎng)集成電路前端設(shè)計(jì)的高端人才，其開設(shè)的集成電路設(shè)計(jì)類課程包括數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)、集成電路系統(tǒng)與芯片設(shè)計(jì)、模擬集成電路設(shè)計(jì)、射頻電路基礎(chǔ)、硬件描述語言與FPGA設(shè)計(jì)、集成電路EDA技術(shù)、集成電路工藝原理等；另外的幾個(gè)班級(jí)，則側(cè)重于集成電路后端設(shè)計(jì)的高端人才培養(yǎng)，其開設(shè)的集成電路設(shè)計(jì)類課程包括數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)、CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)、版圖設(shè)計(jì)技術(shù)、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(cè)試等。在多元化的培養(yǎng)模式中，加入實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，為期一年，設(shè)置在第七、八學(xué)期。學(xué)生可自由選擇，或留在學(xué)校參與教師團(tuán)隊(duì)的項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，或進(jìn)入企業(yè)實(shí)習(xí)，以此來提高學(xué)生的專業(yè)技能與綜合素質(zhì)。
2．2理論課課堂教學(xué)方式的改進(jìn)
傳統(tǒng)的課堂理論教學(xué)方式主要“以教為主”，缺少了“以學(xué)為主”的互動(dòng)環(huán)節(jié)和自主學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。通過增加以學(xué)生為主導(dǎo)的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和學(xué)習(xí)效果。改進(jìn)措施如下：
（1）適當(dāng)降低精講學(xué)時(shí)。精講學(xué)時(shí)從以往的占課程總學(xué)時(shí)的75％～80％，降低為30％～40％，課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)由主講教師精講，精講環(huán)節(jié)重在使學(xué)生掌握扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。
（2）增加課堂互動(dòng)和自學(xué)學(xué)時(shí)。其學(xué)時(shí)由原來的占理論學(xué)時(shí)不到5％增至40％～50％。
（3）采用多樣化課堂教學(xué)手段，包括團(tuán)隊(duì)合作學(xué)習(xí)、課堂小組討論和自主學(xué)習(xí)等，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣。比如，教師結(jié)合當(dāng)前本專業(yè)國內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)、研究熱點(diǎn)和實(shí)踐應(yīng)用等，將課程內(nèi)容凝練成幾個(gè)專題供學(xué)生進(jìn)行小組討論，每小組人數(shù)控制在3～4人，課堂討論時(shí)間安排不低于課程總學(xué)時(shí)的30％［3］。專題內(nèi)容由學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)的方式完成，小組成員在查閱大量的文獻(xiàn)資料后，撰寫報(bào)告，在課堂上與師生進(jìn)行交流。課堂理論教學(xué)方式的改進(jìn)，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性，使學(xué)生從被動(dòng)接受變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，既活躍了課堂氣氛，也營造了自主、平等、開放的學(xué)習(xí)氛圍。
2．3課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的改進(jìn)
為使學(xué)生盡快掌握集成電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提高動(dòng)手實(shí)踐能力，探索一種內(nèi)容合適、難度適中的集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法勢(shì)在必行。本課程建設(shè)小組將從以下幾個(gè)方面對(duì)課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)：
（1）適當(dāng)提高教學(xué)實(shí)驗(yàn)課時(shí)占課程總學(xué)時(shí)的比例，使理論和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的比例不高于2∶1。
（2）增加課外實(shí)驗(yàn)任務(wù)。除實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)內(nèi)必須完成的實(shí)驗(yàn)外，教師可增設(shè)多個(gè)備選實(shí)驗(yàn)供學(xué)生選擇。學(xué)生可在開放實(shí)驗(yàn)室完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，為學(xué)生提供更多的自主思考和探索空間。
（3）提升集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室的軟、硬件環(huán)境。本專業(yè)通過申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)室改造經(jīng)費(fèi)，已完成多個(gè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)室的軟、硬件升級(jí)換代。目前，實(shí)驗(yàn)室配套完善的EDA輔助電路設(shè)計(jì)軟件，該系列軟件均為業(yè)界認(rèn)可且使用率較高的軟件。
（4）統(tǒng)籌安排集成電路設(shè)計(jì)類課程群的教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，力爭(zhēng)使課程群的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容覆蓋設(shè)計(jì)全流程。由于集成電路設(shè)計(jì)類課程多、覆蓋面大，且由不同教師進(jìn)行授課，因此課程實(shí)驗(yàn)分散，難以統(tǒng)一。本課程建設(shè)小組為了提高學(xué)生的動(dòng)手能力和就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，全面規(guī)劃、統(tǒng)籌安排課程群內(nèi)的所有實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生對(duì)集成電路設(shè)計(jì)的全流程都有所了解。
3工程案例教學(xué)法的應(yīng)用
為提升學(xué)生的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，我們將工程案例教學(xué)法貫穿于整個(gè)課程群的理論、實(shí)驗(yàn)和作業(yè)環(huán)節(jié)。下面以模擬集成電路中的典型模塊多級(jí)放大器的設(shè)計(jì)為例，對(duì)該教學(xué)方法在課程中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)介紹。
3．1精講環(huán)節(jié)
運(yùn)算放大器是模擬系統(tǒng)和混合信號(hào)系統(tǒng)中一個(gè)完整而又重要的部分，從直流偏置的產(chǎn)生到高速放大或?yàn)V波，都離不開不同復(fù)雜程度的運(yùn)算放大器。因此，掌握運(yùn)算放大器知識(shí)是學(xué)生畢業(yè)后從事模擬集成電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。雖然多級(jí)運(yùn)算放大器的電路規(guī)模不是很大，但是在設(shè)計(jì)過程中，需根據(jù)性能指標(biāo)，謹(jǐn)慎挑選運(yùn)放結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計(jì)器件尺寸。運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)指導(dǎo)著設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)和幾個(gè)比較重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，如開環(huán)增益、小信號(hào)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(zhuǎn)換速率等。由于運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)指標(biāo)多，設(shè)計(jì)過程相對(duì)復(fù)雜，因此其工作原理、電路結(jié)構(gòu)和器件尺寸的計(jì)算方法等，這部分內(nèi)容需要由主講教師精講，其教學(xué)內(nèi)容可以放在“模擬集成電路設(shè)計(jì)”課程的理論學(xué)時(shí)里。
3．2作業(yè)環(huán)節(jié)
課后作業(yè)不僅僅是課堂教學(xué)的鞏固，還應(yīng)是課程實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備環(huán)節(jié)。為了彌補(bǔ)缺失的學(xué)生自主設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，我們將電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和器件尺寸、相關(guān)參數(shù)的手工計(jì)算過程放在作業(yè)環(huán)節(jié)中完成。這樣做既不占用寶貴的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，又提高了學(xué)生的分析問題和解決問題的能力。比如兩級(jí)運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)和仿真實(shí)驗(yàn)，運(yùn)放的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：直流增益＞80dB；單位增益帶寬＞50MHz；負(fù)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(jī)實(shí)驗(yàn)之前，主講教師先將該運(yùn)放的設(shè)計(jì)指標(biāo)布置在作業(yè)中，學(xué)生根據(jù)教師指定的設(shè)計(jì)參數(shù)完成兩級(jí)運(yùn)放結(jié)構(gòu)選型及器件尺寸、參數(shù)的手工計(jì)算工作，仿真驗(yàn)證和電路優(yōu)化工作在實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)或課外實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)中完成。
3．3實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)
在課程實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生使用EDA軟件平臺(tái)將作業(yè)中設(shè)計(jì)好的電路輸入并搭建相關(guān)仿真環(huán)境，進(jìn)行仿真驗(yàn)證工作。學(xué)生根據(jù)仿真結(jié)果不斷優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)和器件尺寸，直至所設(shè)計(jì)的運(yùn)算放大器滿足所有預(yù)設(shè)指標(biāo)。其教學(xué)內(nèi)容可放在“模擬集成電路設(shè)計(jì)”或“集成電路EDA技術(shù)”課程里［4］。
3．4版圖設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)
版圖是電路系統(tǒng)和集成電路工藝之間的橋梁，是集成電路設(shè)計(jì)不可或缺的重要環(huán)節(jié)。通過集成電路的版圖設(shè)計(jì)，可將立體的電路系統(tǒng)變?yōu)橐粋€(gè)二維的平面圖形，再經(jīng)過工藝加工還原為基于硅材料的立體結(jié)構(gòu)。兩級(jí)運(yùn)算放大器屬于模擬集成電路，其版圖設(shè)計(jì)不僅要滿足工藝廠商提供的設(shè)計(jì)規(guī)則，還應(yīng)考慮到模擬集成電路版圖設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則，如匹配性、抗干擾性以及冗余設(shè)計(jì)等。其教學(xué)內(nèi)容可放在課程群中“版圖設(shè)計(jì)技術(shù)”的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)完成。通過理論環(huán)節(jié)、作業(yè)環(huán)節(jié)以及實(shí)驗(yàn)的迭代仿真和版圖設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，使學(xué)生掌握模擬集成電路的前端設(shè)計(jì)到后端設(shè)計(jì)流程，以及相關(guān)EDA軟件的使用，具備了直接參與模擬集成電路設(shè)計(jì)的能力。
4結(jié)語
以集成電路為龍頭的信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)是國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中的重要基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性支柱產(chǎn)業(yè)。國家高度重視集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,2000年,國務(wù)院頒發(fā)了《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)鼓勵(lì)軟件產(chǎn)業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展若干政策的通知》(18號(hào)文件),2011年1月28日,國務(wù)院了《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)進(jìn)一步鼓勵(lì)軟件產(chǎn)業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展若干政策的通知》,2011年12月24日,工業(yè)和信息化部印發(fā)了《集成電路產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》,我國集成電路產(chǎn)業(yè)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。然而,我國的集成電路設(shè)計(jì)水平還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平。2013年,全國進(jìn)口產(chǎn)品金額最大的類別是集成電路芯片,超過石油進(jìn)口。2014年3月5日,國務(wù)院總理在兩會(huì)上的政府工作報(bào)告中,首次提到集成電路(芯片)產(chǎn)業(yè),明確指出,要設(shè)立新興產(chǎn)業(yè)創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新平臺(tái),在新一代移動(dòng)通信、集成電路、大數(shù)據(jù)、先進(jìn)制造、新能源、新材料等方面趕超先進(jìn),引領(lǐng)未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2014年6月,國務(wù)院頒布《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》,加快推進(jìn)我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)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(shè)計(jì)人才是集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要保障。2010年,我國芯片設(shè)計(jì)人員達(dá)不到需求的10%,集成電路設(shè)計(jì)人才的培養(yǎng)已成為當(dāng)前國內(nèi)高等院校的一個(gè)迫切任務(wù)[1]。為滿足市場(chǎng)對(duì)集成電路設(shè)計(jì)人才的需求,2001年,教育部開始批準(zhǔn)設(shè)置“集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)”本科專業(yè)[2]。
我校2002年開設(shè)電子科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè),期間,由于專業(yè)調(diào)整,暫停招生。2012年,電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)恢復(fù)本科招生,主要專業(yè)方向?yàn)榧呻娐吩O(shè)計(jì)。為提高人才培養(yǎng)質(zhì)量,提出了集成電路設(shè)計(jì)專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式[3]。本文根據(jù)培養(yǎng)模式要求,從課程體系設(shè)置、課程內(nèi)容優(yōu)化兩個(gè)方面對(duì)集成電路設(shè)計(jì)方向的專業(yè)課程體系進(jìn)行改革和優(yōu)化。
一、專業(yè)課程體系存在的主要問題
1.不太重視專業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)。“專業(yè)物理”、“固體物理”、“半導(dǎo)體物理”和“晶體管原理”是集成電路設(shè)計(jì)的專業(yè)基礎(chǔ)課,為后續(xù)更好地學(xué)習(xí)專業(yè)方向課提供理論基礎(chǔ)。如果基礎(chǔ)不打扎實(shí),將導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)課程時(shí)存在較大困難,更甚者將導(dǎo)致其學(xué)業(yè)荒廢。例如,如果沒有很好掌握MOS晶體管的結(jié)構(gòu)、工作原理和工作特性,學(xué)生在后面學(xué)習(xí)CMOS模擬放大器和差分運(yùn)放電路時(shí)將會(huì)是一頭霧水,不可能學(xué)得懂。
但國內(nèi)某些高校將這些課程設(shè)置為選修課,開設(shè)較少課時(shí)量,學(xué)生不能全面、深入地學(xué)習(xí);有些院校甚至不開設(shè)這些課程[4]。比如,我校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)就沒有開設(shè)“晶體管原理”這門課程,而是將其內(nèi)容合并到“模擬集成電路原理與設(shè)計(jì)”這門課程中去。
2.課程開設(shè)順序不合理。專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)方向課和寬口徑專業(yè)課之間存在環(huán)環(huán)相扣的關(guān)系,前者是后者的基礎(chǔ),后者是前者理論知識(shí)的具體應(yīng)用。并且,在各類專業(yè)課的內(nèi)部也存在這樣的關(guān)系。如果在前面的知識(shí)沒學(xué)好的基礎(chǔ)上,開設(shè)后面的課程,將直接導(dǎo)致學(xué)生學(xué)不懂,嚴(yán)重影響其學(xué)習(xí)積極性。例如:在某些高校的培養(yǎng)計(jì)劃中,沒有開設(shè)“半導(dǎo)體物理”,直接開設(shè)“晶體管原理”,造成了學(xué)生在學(xué)習(xí)“晶體管原理”課程時(shí)沒有“半導(dǎo)體物理”課程的基礎(chǔ),很難進(jìn)入狀態(tài),學(xué)習(xí)興趣受到嚴(yán)重影響[5]。具體比如在學(xué)習(xí)MOS晶體管的工作狀態(tài)時(shí),如果沒有半導(dǎo)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(guān)。
3. 課程內(nèi)容理論性太強(qiáng),嚴(yán)重打擊學(xué)生積極性。“專業(yè)物理”、“固體物理”、“半導(dǎo)體物理”和“晶體管原理”這些專業(yè)基礎(chǔ)課程本身理論性就很強(qiáng),公式推導(dǎo)較多,并且要求學(xué)生具有較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。而我們有些教師在授課時(shí),過分強(qiáng)調(diào)公式推導(dǎo)以及電路各性能參數(shù)的推導(dǎo),而不是側(cè)重于對(duì)結(jié)構(gòu)原理、工作機(jī)制和工作特性的掌握,使得學(xué)生(尤其是數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較差的學(xué)生)學(xué)習(xí)起來很吃力,學(xué)習(xí)的積極性受到極大打擊[6]。
二、專業(yè)課程體系改革的主要措施
1“。 4+3+2”專業(yè)課程體系。形成“4+3+2”專業(yè)課程體系模式:“4”是專業(yè)基礎(chǔ)課“專業(yè)物理”、“半導(dǎo)體物理”、“固體物理”和“晶體管原理”;“3”是專業(yè)方向課“集成電路原理與設(shè)計(jì)”、“集成電路工藝”和“集成電路設(shè)計(jì)CAD”;“2”是寬口徑專業(yè)課“集成電路應(yīng)用”、“集成電路封裝與測(cè)試”,實(shí)行主講教師負(fù)責(zé)制。依照整體優(yōu)化和循序漸進(jìn)的原則,根據(jù)學(xué)習(xí)每門專業(yè)課所需掌握的基礎(chǔ)知識(shí),環(huán)環(huán)相扣,合理設(shè)置各專業(yè)課的開課先后順序,形成先專業(yè)基礎(chǔ)課,再專業(yè)方向課,然后寬口徑專業(yè)課程的開設(shè)模式。
我校物理與電子科學(xué)學(xué)院本科生實(shí)行信息科學(xué)大類培養(yǎng)模式,也就是三個(gè)本科專業(yè)
大學(xué)一年級(jí)、二年級(jí)統(tǒng)一開設(shè)課程,主要開設(shè)高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)和光學(xué)等課程,重在增強(qiáng)學(xué)生的數(shù)學(xué)、物理等基礎(chǔ)知識(shí),為各專業(yè)后續(xù)專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)方向課的學(xué)習(xí)打下很好的理論基礎(chǔ)。從大學(xué)三年級(jí)開始,分專業(yè)開設(shè)專業(yè)課程。為了均衡電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生各學(xué)期的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān),大學(xué)三年級(jí)第一學(xué)期開設(shè)“理論物理導(dǎo)論”和“固體物理與半導(dǎo)體物理”兩門專業(yè)基礎(chǔ)課程。其中“固體物理與半導(dǎo)體物理”這門課程是將固體物理知識(shí)和半導(dǎo)體物理知識(shí)結(jié)合在一起,課時(shí)量為64學(xué)時(shí),由2位教師承擔(dān)教學(xué)任務(wù),其目的是既能讓學(xué)生掌握后續(xù)專業(yè)方向課學(xué)習(xí)所需要的基礎(chǔ)知識(shí),又不過分增加學(xué)生的負(fù)擔(dān)。大學(xué)三年級(jí)第二學(xué)期開設(shè)“電子器件基礎(chǔ)”、“集成電路原理與設(shè)計(jì)”、“集成電路設(shè)計(jì)CAD”和“微電子工藝學(xué)”等專業(yè)課程。由于“電子器件基礎(chǔ)”是其他三門課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ),為了保證學(xué)習(xí)的延續(xù)性,擬將“電子器件基礎(chǔ)”這門課程的開設(shè)時(shí)間定為學(xué)期的1~12周,而其他3門課程的開課時(shí)間從第6周開始,從而可以保證學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)方向課時(shí)具有高的學(xué)習(xí)效率和大的學(xué)習(xí)興趣。另外,“集成電路原理與設(shè)計(jì)”課程設(shè)置96學(xué)時(shí),由2位教師承擔(dān)教學(xué)任務(wù)。并且,先講授“CMOS模擬集成電路原理與設(shè)計(jì)”的內(nèi)容,課時(shí)量為48學(xué)時(shí),開設(shè)時(shí)間為6~17周;再講授“CMOS數(shù)字集成電路原理與設(shè)計(jì)”的內(nèi)容,課時(shí)量為48學(xué)時(shí),開設(shè)時(shí)間為8~19周。大學(xué)四年級(jí)第一學(xué)期開設(shè)“集成電路應(yīng)用”和“集成電路封裝與測(cè)試技術(shù)”等寬口徑專業(yè)課程,并設(shè)置其為選修課,這樣設(shè)置的目的在于:對(duì)于有意向考研的同學(xué),可以減少學(xué)習(xí)壓力,專心考研;同時(shí),對(duì)于要找工作的同學(xué),可以更多了解專業(yè)方面知識(shí),為找到好工作提供有力保障。 2.優(yōu)化專業(yè)課程的教學(xué)內(nèi)容。由于我校物理與電子科學(xué)學(xué)院本科生采用信息科學(xué)大類培養(yǎng)模式,專業(yè)課程要在大學(xué)三年級(jí)才能開始開設(shè),時(shí)間緊湊。為實(shí)現(xiàn)我校集成電路設(shè)計(jì)人才培養(yǎng)目標(biāo),培養(yǎng)緊跟集成電路發(fā)展前沿、具有較強(qiáng)實(shí)用性和創(chuàng)新性的集成電路設(shè)計(jì)人才,需要對(duì)集成電路設(shè)計(jì)方向?qū)I(yè)課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化。其學(xué)習(xí)重點(diǎn)應(yīng)該是掌握基礎(chǔ)的電路結(jié)構(gòu)、電路工作特性和電路分析基本方法等,而不是糾結(jié)于電路各性能參數(shù)的推導(dǎo)。
在“固體物理與半導(dǎo)體物理”和“晶體管原理”等專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)中,要盡量避免冗長的公式及煩瑣的推導(dǎo),側(cè)重于對(duì)基本原理及特性的物理意義的學(xué)習(xí),以免削弱學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。MOS器件是目前集成電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),因此,在“晶體管原理”中應(yīng)當(dāng)詳細(xì)講授MOS器件的結(jié)構(gòu)、工作原理和特性,而雙極型器件可以稍微弱化些。
對(duì)于專業(yè)方向課程,教師不但要講授集成電路設(shè)計(jì)方面的知識(shí),也要側(cè)重于集成電路設(shè)計(jì)工具的使用,以及基本的集成電路版圖知識(shí)、集成電路工藝流程,尤其是CMOS工藝等相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)。實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用能力、實(shí)際動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和社會(huì)適應(yīng)能力的重要環(huán)節(jié)。因此,在專業(yè)方向課程中要增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課時(shí)量。例如,在“CMOS模擬集成電路原理與設(shè)計(jì)”課程中,總課時(shí)量為48學(xué)時(shí)不變,理論課由原來的38學(xué)時(shí)減少至36學(xué)時(shí),實(shí)驗(yàn)教學(xué)由原來的10學(xué)時(shí)增加至12個(gè)學(xué)時(shí)。36學(xué)時(shí)的理論課包含了單級(jí)運(yùn)算放大器、差分運(yùn)算放大器、無源/有源電流鏡、基準(zhǔn)電壓源電路、開關(guān)電路等多種電路結(jié)構(gòu)。12個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中2學(xué)時(shí)作為EDA工具學(xué)習(xí),留給學(xué)生10個(gè)學(xué)時(shí)獨(dú)自進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。從而保證學(xué)生更好地理解理論課所學(xué)知識(shí),融會(huì)貫通,有效地促進(jìn)教學(xué)效果,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
關(guān)鍵詞：集成電路設(shè)計(jì)；版圖；CMOS
作者簡(jiǎn)介：毛劍波（1970-），男，江蘇句容人，合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，副教授；汪濤（1981-），男，河南商城人，合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，講師。（安徽?合肥?230009）
基金項(xiàng)目：本文系安徽省高校教研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：20100115）、省級(jí)特色專業(yè)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：20100062）的研究成果。
中圖分類號(hào)：G642?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?????文章編號(hào)：1007-0079（2012）23-0052-02
集成電路（Integrated Circuit）產(chǎn)業(yè)是典型的知識(shí)密集型、技術(shù)密集型、資本密集和人才密集型的高科技產(chǎn)業(yè)，是關(guān)系國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展全局的基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性和戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，是新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心和關(guān)鍵，對(duì)其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有巨大的支撐作用。經(jīng)過30多年的發(fā)展，我國集成電路產(chǎn)業(yè)已初步形成了設(shè)計(jì)、芯片制造和封測(cè)三業(yè)并舉的發(fā)展格局，產(chǎn)業(yè)鏈基本形成。但與國際先進(jìn)水平相比，我國集成電路產(chǎn)業(yè)還存在發(fā)展基礎(chǔ)較為薄弱、企業(yè)科技創(chuàng)新和自我發(fā)展能力不強(qiáng)、應(yīng)用開發(fā)水平急待提高、產(chǎn)業(yè)鏈有待完善等問題。在集成電路產(chǎn)業(yè)中，集成電路設(shè)計(jì)是整個(gè)產(chǎn)業(yè)的龍頭和靈魂。而我國集成電路設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展遠(yuǎn)滯后于計(jì)算機(jī)與通信產(chǎn)業(yè)，集成電路設(shè)計(jì)人才嚴(yán)重匱乏，已成為制約行業(yè)發(fā)展的瓶頸。因此，培養(yǎng)大量高水平的集成電路設(shè)計(jì)人才，是當(dāng)前集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展中一個(gè)亟待解決的問題，也是高校微電子等相關(guān)專業(yè)改革和發(fā)展的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。[1-4]
一、集成電路版圖設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)
為了滿足新形勢(shì)下集成電路人才培養(yǎng)和科學(xué)研究的需要，合肥工業(yè)大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“我校”）從2005年起借助于大學(xué)計(jì)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(shí)驗(yàn)室，配備了ModelSim、IC Station、Calibre、Xilinx ISE、Quartus II、九天Zeni設(shè)計(jì)系統(tǒng)等EDA軟件。我校相繼開設(shè)了與集成電路設(shè)計(jì)密切相關(guān)的本科課程，如集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、模擬集成電路設(shè)計(jì)、集成電路版圖設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)、ASIC設(shè)計(jì)方法、硬件描述語言等。同時(shí)對(duì)課程體系進(jìn)行了修訂，注意相關(guān)課程之間相互銜接，關(guān)鍵內(nèi)容不遺漏，突出集成電路設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，通過對(duì)課程內(nèi)容的精選、重組和充實(shí)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的開展，構(gòu)成了系統(tǒng)的集成電路設(shè)計(jì)教學(xué)過程。[5，6]
集成電路設(shè)計(jì)從實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)。全定制集成電路設(shè)計(jì)，特別是其后端的版圖設(shè)計(jì)，涵蓋了微電子學(xué)、電路理論、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等諸多學(xué)科的基礎(chǔ)理論，這是微電子學(xué)專業(yè)的辦學(xué)重要特色和人才培養(yǎng)重點(diǎn)方向，目的是給本科專業(yè)學(xué)生打下堅(jiān)實(shí)的設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)。
在集成電路版圖設(shè)計(jì)的教學(xué)中，采用的是中電華大電子設(shè)計(jì)公司設(shè)計(jì)開發(fā)的九天EDA軟件系統(tǒng)（Zeni EDA System），這是中國唯一的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的EDA工具軟件。該軟件與國際上流行的EDA系統(tǒng)兼容，支持百萬門級(jí)的集成電路設(shè)計(jì)規(guī)模，可進(jìn)行國際通用的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，它的某些功能如版圖編輯、驗(yàn)證等已經(jīng)與國際產(chǎn)品相當(dāng)甚至更優(yōu)，已經(jīng)在商業(yè)化的集成電路設(shè)計(jì)公司以及東南大學(xué)等國內(nèi)二十多所高校中得到了應(yīng)用，特別是在模擬和高速集成電路的設(shè)計(jì)中發(fā)揮了強(qiáng)大的功能，并成功開發(fā)出了許多實(shí)用的集成電路芯片。
九天EDA軟件系統(tǒng)包括ZeniDM（Design Management）設(shè)計(jì)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(yàn)證工具，ZeniHDRC（Hierarchical Design Rules Check）層次版圖設(shè)計(jì)規(guī)則檢查工具，ZeniPE（Parasitic Parameter Extraction）寄生參數(shù)提取工具，ZeniSI（Signal Integrity）信號(hào)完整性分析工具等幾個(gè)主要模塊，實(shí)現(xiàn)了從集成電路電路原理圖到版圖的整個(gè)設(shè)計(jì)流程。
二、集成電路版圖設(shè)計(jì)的教學(xué)目標(biāo)
根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)結(jié)合九天EDA軟件的功能特點(diǎn)，在本科生三年級(jí)下半學(xué)期開設(shè)了為期一周的以九天EDA軟件為工具的集成電路版圖設(shè)計(jì)課程。
我當(dāng)年就是懷著對(duì)集成電路未來的美好憧憬，幻想著IC從業(yè)者西裝革履喝咖啡的小資生活。再加上那時(shí)開設(shè)該專業(yè)的還有清華、北大等“985工程”院校。于是我報(bào)考了這個(gè)前途無量的集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)（下簡(jiǎn)稱集電）專業(yè)。
IC課堂知多少
前面提到了IC從業(yè)者，那IC究竟是什么呢？IC是半導(dǎo)體元件產(chǎn)品的統(tǒng)稱。那學(xué)這個(gè)有什么用呢？比方說自稱國產(chǎn)發(fā)燒級(jí)的小米手機(jī)，你知道它用的四核CPU是什么架構(gòu)？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(gòu)造呢？這些在選擇了集電專業(yè)后，你都會(huì)一一了解到。在不久的將來，也許你設(shè)計(jì)的芯片還會(huì)在流水線上量產(chǎn)呢。
既然這個(gè)專業(yè)那么有用，那它是學(xué)什么的呢？首先，要做的就是電路設(shè)計(jì)，根據(jù)市場(chǎng)的需求依據(jù)電路功能設(shè)計(jì)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(yè)軟件模擬出電路所實(shí)現(xiàn)的功能，主要是為了節(jié)省研發(fā)經(jīng)費(fèi)和研發(fā)周期），檢測(cè)其是否能達(dá)到所要的參數(shù)需求；再次，用專業(yè)的軟件將電路版圖畫出來；最后，將畫出來的版圖進(jìn)行后期仿真，與前期的仿真對(duì)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(jìn)行量產(chǎn)，最后到封裝測(cè)試廠完成芯片的最后一道工藝。
如今，集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)專業(yè)已走過了9年，它變得越來越適應(yīng)就業(yè)市場(chǎng)的需求。目前該專業(yè)分為三個(gè)方向。第一個(gè)方向是設(shè)計(jì)。這個(gè)方向又分兩類，數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)是偏軟件類；而模擬集成電路設(shè)計(jì)是偏硬件類。有設(shè)計(jì)就要有生產(chǎn)，該專業(yè)的第二個(gè)方向就是生產(chǎn)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(gè)方向是集成電路的封裝與測(cè)試。好的封裝才能夠使芯片發(fā)揮正常的功能，并保證其具有高穩(wěn)定性和可靠性。而芯片是否達(dá)到預(yù)期的研發(fā)目標(biāo)，則需要更多的測(cè)試才能確定。
集電專業(yè)開設(shè)的課程較多，光專業(yè)基礎(chǔ)課就要分硬件和軟件，加上計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、模擬電路與數(shù)字電路、電路分析基礎(chǔ)、信號(hào)與系統(tǒng)、集成電路應(yīng)用實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)制圖、微機(jī)原理與應(yīng)用、固體電子學(xué)、電磁場(chǎng)與電磁波這些專業(yè)課，你會(huì)發(fā)現(xiàn)你的大學(xué)四年會(huì)過得格外充實(shí)。不過你放心，由于實(shí)驗(yàn)課很多，學(xué)習(xí)并不會(huì)覺得枯燥。
就拿集電專業(yè)的核心課程——集成電路工藝課來說吧。這門課教授我們?nèi)绾伟堰€只是一個(gè)概念的集成電路芯片從有到無的“變”出來。喜歡玩手機(jī)的同學(xué)一定聽說過現(xiàn)在市面上最先進(jìn)的高通的四核CPU吧，它的電路構(gòu)成需要用到上百萬個(gè)我們所熟知的晶體管、電阻、電容等元器件。可是我們的手機(jī)只有那么小，上百萬個(gè)元器件怎么集中在那么小的一個(gè)芯片上呢？這就需要運(yùn)用這門課所學(xué)的工藝技術(shù)，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(dāng)?shù)墓に囘M(jìn)行互連，然后封裝在一個(gè)管殼內(nèi)，使整個(gè)電路的體積大大縮小，引出線和焊接點(diǎn)的數(shù)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(xué)的殿堂用心學(xué)習(xí)了！
前途寬廣，錢途無量
目前，很多歐美IC巨頭企業(yè)都在中國設(shè)有工廠或者研發(fā)機(jī)構(gòu)，比如AMD、飛思卡爾、德州儀器、意法半導(dǎo)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(shù)和項(xiàng)目基金回國創(chuàng)業(yè)。這些電子廠都是離不開IC設(shè)計(jì)人才的。
2006年考研結(jié)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?yàn)橛⒄Z口語不過關(guān)被淘汰了，這也說明這個(gè)專業(yè)對(duì)于英語應(yīng)用能力的要求還是比較高的。不過之后的半個(gè)月時(shí)間，各種面試電話就成了我幸福的煩惱，對(duì)于只是一名應(yīng)屆本科畢業(yè)生的我，有的公司甚至開出了4500元月薪的條件，這是當(dāng)時(shí)很多畢業(yè)生想都不敢想的，更何況一年還發(fā)16個(gè)月薪水！由此可見，對(duì)于集電專業(yè)的畢業(yè)生，只要你做了充分的準(zhǔn)備，就會(huì)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(yè)的畢業(yè)生有較強(qiáng)的工作適應(yīng)能力，就業(yè)范圍寬，可從事集成電路設(shè)計(jì)與制造、嵌入式系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、通信、消費(fèi)類電子等信息技術(shù)領(lǐng)域的研究、開發(fā)和教學(xué)工作。
選“山”拜師很重要
關(guān)鍵詞：微弱信號(hào)；DSP；儀用放大器；陷波電路
引言：
微電信號(hào)檢測(cè)技術(shù)是一門新興的技術(shù)學(xué)科，是利用電子學(xué)、信息論和物理學(xué)的方法，分析噪聲產(chǎn)生的原理和規(guī)律，研究被測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)與相關(guān)性，檢測(cè)被噪聲背景淹沒的微弱信號(hào)。能在噪聲背景中檢測(cè)信號(hào)的微弱信號(hào)檢測(cè)儀器，為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了強(qiáng)有力的測(cè)試手段。應(yīng)用范圍遍及幾乎所有的科學(xué)領(lǐng)域，已成為現(xiàn)代科技必備的常用儀器。國外很多大學(xué)和公司都在從事不同領(lǐng)域的微信號(hào)檢測(cè)的研究和相關(guān)芯片的研發(fā)工作。且隨著仿生智能學(xué)的發(fā)展，是人們?nèi)找嬲J(rèn)識(shí)到若想更加深入的了解生物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，歸根到底就是對(duì)人體各種微電信號(hào)的采集和處理及分析，所以研究微電信號(hào)的采集和處理具有很深遠(yuǎn)的意義。本文設(shè)計(jì)了一種微電信號(hào)采集和處理系統(tǒng)，通過電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)微弱電信號(hào)采集。
一．系統(tǒng)原理介紹
如圖所示的是系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖，整個(gè)系統(tǒng)由三部分組成：前置儀用放大電路[1]、中間級(jí)處理電路、信號(hào)采集識(shí)別電路。由傳感器傳來的微弱信號(hào)經(jīng)由前置儀用放大電路放大后經(jīng)由中間級(jí)處理電路的濾波、增益調(diào)節(jié)及陷波后調(diào)制成復(fù)合信號(hào)采集識(shí)別電路可采集及識(shí)別的信號(hào)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸入到DSP數(shù)字控制電路后序處理。
圖 1系統(tǒng)原理框圖
二、主要功能模塊實(shí)現(xiàn)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(jí)直接采用了電壓跟隨器的設(shè)計(jì)，此種設(shè)計(jì)在理論上輸入阻抗無窮大，有效的將信號(hào)輸入源與電路系統(tǒng)隔離，去除了信號(hào)源內(nèi)阻高且不穩(wěn)定的影響。儀用放大器因?yàn)槠浣?jīng)典的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)而具有較高的輸入阻抗和共模抑制比，并且只需外接一個(gè)電阻即可設(shè)定增益，在生物信號(hào)處理領(lǐng)域被廣泛地應(yīng)用。本文選用的AD公司的AD620。
圖 2 前置放大電路
2.2中間級(jí)處理電路
中間級(jí)處理電路分為帶通選頻網(wǎng)絡(luò)[2]、二級(jí)放大電路、50Hz陷波器[3]和增益調(diào)節(jié)電路[4]等。帶通選頻網(wǎng)絡(luò)由RC無源網(wǎng)絡(luò)組成，簡(jiǎn)單可靠，通帶的最大范圍設(shè)定為0.05kHz～10kHz（在本文設(shè)計(jì)中是對(duì)以上頻率做的通帶范圍，若信號(hào)源信號(hào)超出此范圍改變?yōu)V波電路的具體器件參數(shù)可改變通帶范圍）。根據(jù)不同信號(hào)的差異，可以對(duì)信號(hào)的放大倍數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以適合后續(xù)數(shù)字控制電路對(duì)數(shù)據(jù)的采集的要求。在圖3-圖6分別給出以上四部分的電路設(shè)計(jì)原理圖。
2.3信號(hào)采集電路
經(jīng)前述兩部分電路后，微電信號(hào)已被放大，根據(jù)所采用的數(shù)字采集電路調(diào)整放大電路中的增益可將信號(hào)放大到適合采集的幅值范圍內(nèi)。本系統(tǒng)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(hào)。DSP芯片與MAX1198的接口圖如圖7所示。
圖7 DSP與MAX1198接口圖
三、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
為驗(yàn)證系統(tǒng)電路，在電路輸入端加入了多種頻率的微電信號(hào)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。下圖將頻率為1KHz、幅值1.63mv經(jīng)衰減20dB后的三種信號(hào)：方波、三角波、正弦，信號(hào)經(jīng)過前置放大電路放大，由濾波和二級(jí)放大電路進(jìn)行二次放大其波形如圖8所示（數(shù)碼相機(jī)所拍攝的示波器上的波形），輸入到DSP數(shù)字系統(tǒng)的輸入端，由A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，最后存儲(chǔ)到DSP 中，經(jīng)CCS軟件擬合可得如圖9所示圖形。其他頻率也做了以上實(shí)驗(yàn)，本文不在此逐一列出。
四、結(jié)論
由實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明本系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱電信號(hào)的放大采集等功能，并具有較好的濾波、去噪等特點(diǎn)，為微電信號(hào)的采集和處理提供了一種實(shí)用方便的有效方法。
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關(guān)鍵詞：模擬電子技術(shù)；應(yīng)用型本科；模塊化教材；自主學(xué)習(xí)
作者簡(jiǎn)介：李旭瓊（1973-），女，廣西南寧人，桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，副教授；段吉海（1964-），男，廣西桂林人，桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，教授。（廣西 桂林 541004）
基金項(xiàng)目：本文系中國電子教育學(xué)會(huì)“十二·五”高等教育科學(xué)研究課題（課題編號(hào)：ZDJ11202）、桂林電子科技大學(xué)微電子專業(yè)主干課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)基金（項(xiàng)目編號(hào)：ZJT1021A）的研究成果。
中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）02-0131-02
應(yīng)用型本科人才所具有的重要特征之一就是具有較強(qiáng)的實(shí)踐動(dòng)手能力，能夠創(chuàng)造性地運(yùn)用專業(yè)知識(shí)和技能解決實(shí)際問題。與普通本科教育相比，應(yīng)用型本科教育更突出實(shí)際應(yīng)用能力與工程素質(zhì)的培養(yǎng)。
模擬電子技術(shù)課程是電力與電子信息類應(yīng)用型本科課程體系的主干專業(yè)基礎(chǔ)課程，由于該課程的實(shí)踐性很強(qiáng)，所以對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)、實(shí)踐能力和創(chuàng)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(shù)教材有近千種，而真正適宜于應(yīng)用型本科教學(xué)的教材卻非常匱乏。大部分的教材秉承傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，存在內(nèi)容相對(duì)陳舊、偏重理論、應(yīng)用不足等缺點(diǎn)，不能很好地滿足應(yīng)用型本科的教育要求。因此，研究和建設(shè)適應(yīng)于應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)目標(biāo)的模擬電子技術(shù)教材顯得尤為重要。
一、課程模塊化教學(xué)內(nèi)容體系的構(gòu)建
傳統(tǒng)的模擬電子技術(shù)教學(xué)內(nèi)容一般是按章節(jié)進(jìn)行編排，考核方式大多是由期末考試來決定學(xué)生的成績(jī)。由于該課程的內(nèi)容很多，學(xué)生往往會(huì)因?yàn)榇罅康母拍睢⑵骷头椒ǎ胪旧鰠拰W(xué)心理，學(xué)習(xí)效果不佳。如果把課程內(nèi)容劃分為若干相對(duì)獨(dú)立的模塊，并將理論與實(shí)踐有機(jī)融合，分段學(xué)習(xí)分段考核，可以幫助學(xué)生“化整為零”、“逐個(gè)擊破”，從而改善教學(xué)效果。
根據(jù)課程的特點(diǎn)及內(nèi)在聯(lián)系，除“課程導(dǎo)學(xué)”外，筆者將教學(xué)內(nèi)容劃分為以下五大模塊：常用半導(dǎo)體器件、基本放大電路及其分析設(shè)計(jì)方法、放大電路的頻率響應(yīng)與負(fù)反饋技術(shù)、通用集成運(yùn)放及其應(yīng)用以及實(shí)用模擬電子系統(tǒng)。
“課程導(dǎo)學(xué)”部分的作用是讓學(xué)生建立電子系統(tǒng)的概念，了解模擬電子技術(shù)課程的教學(xué)要求、課程特點(diǎn)、學(xué)習(xí)方法、現(xiàn)代電子電路的設(shè)計(jì)方法以及常用EDA仿真軟件，對(duì)學(xué)生的課程學(xué)習(xí)起到良好的導(dǎo)向作用。
模塊一：常用半導(dǎo)體器件。介紹模擬集成電路中常用的半導(dǎo)體二極管、穩(wěn)壓管、雙極型晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管和晶閘管。對(duì)于應(yīng)用型本科人才的培養(yǎng)，從應(yīng)用的角度考慮，重點(diǎn)介紹器件的外特性、主要參數(shù)和電路模型，對(duì)于器件本身的內(nèi)部物理機(jī)制不做過于深入的探討。
模塊二：基本放大電路及其分析設(shè)計(jì)方法。本模塊涉及構(gòu)成復(fù)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(chǎng)效應(yīng)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(bǔ)推挽功率放大電路。重點(diǎn)介紹基本放大電路的構(gòu)成原則、工作原理、主要性能指標(biāo)及其工程估算方法，多級(jí)放大電路的識(shí)圖以及指標(biāo)估算方法，單管放大電路的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)實(shí)例，后兩者突出了實(shí)踐與應(yīng)用。
模塊三：放大電路的頻率響應(yīng)與負(fù)反饋技術(shù)。本模塊包括放大電路頻率響應(yīng)的基本概念和頻率響應(yīng)的基本分析方法，反饋的概念以及負(fù)反饋技術(shù)在放大電路中的應(yīng)用，負(fù)反饋放大電路的分析和設(shè)計(jì)方法，負(fù)反饋放大電路的穩(wěn)定性。
模塊四：通用集成運(yùn)放及其應(yīng)用。以應(yīng)用較廣的典型通用集成運(yùn)放為例，介紹其電路結(jié)構(gòu)、參數(shù)和使用方法，闡述集成運(yùn)放在信號(hào)運(yùn)算、信號(hào)處理和波形轉(zhuǎn)換等方面應(yīng)用電路的分析與設(shè)計(jì)方法。
模塊五：實(shí)用模擬電子系統(tǒng)。該模塊作為知識(shí)的拓展部分，介紹常用的模擬電路綜合應(yīng)用系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)，包括直流電源、鎖相環(huán)、濾波器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器等。
二、突出集成與應(yīng)用調(diào)整教材內(nèi)容
現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展非常迅速，新工藝、新器件和設(shè)計(jì)軟件不斷推陳出新。與之密切相關(guān)的模擬電子技術(shù)教材需要調(diào)整和更新傳統(tǒng)教材的內(nèi)容，以保證教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性和實(shí)用性。
1.擴(kuò)充場(chǎng)效應(yīng)管電路的內(nèi)容和篇幅
目前，金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）已經(jīng)取代雙極型晶體管（BJT）成為現(xiàn)代半導(dǎo)體集成電路的主流。為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)，需要擴(kuò)充場(chǎng)效應(yīng)管電路的內(nèi)容和篇幅，適當(dāng)刪減BJT電路的內(nèi)容，增加由MOSFET組成的電流源電路、有源負(fù)載放大電路、集成運(yùn)算放大電路、功率放大電路等，并在教學(xué)實(shí)施過程中側(cè)重MOSFET電路的分析與設(shè)計(jì)。
2.增加集成器件的比重
與分立元件電路相比，集成器件優(yōu)點(diǎn)十分突出，實(shí)際應(yīng)用也主要是模擬集成器件，如集成運(yùn)放、集成功放、集成三端穩(wěn)壓器、鎖相環(huán)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(shù)測(cè)試和典型應(yīng)用電路，并且在頻率響應(yīng)與負(fù)反饋技術(shù)模塊中重點(diǎn)以集成運(yùn)放為研究對(duì)象，分析其頻率響應(yīng)和負(fù)反饋技術(shù)的應(yīng)用。
3.加強(qiáng)電路設(shè)計(jì)的內(nèi)容
現(xiàn)行的模擬電子技術(shù)教材偏重電路的分析，較少涉及電路的設(shè)計(jì)，課后習(xí)題也基本上沒有設(shè)計(jì)類的題目。相對(duì)電路的分析而言，電路的設(shè)計(jì)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(shí)際更加貼近有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力、工程意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)，為此，筆者結(jié)合實(shí)用的家電產(chǎn)品、測(cè)控系統(tǒng)和通信系統(tǒng)，在教材增加一些測(cè)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(shè)計(jì)實(shí)例；在課后習(xí)題中增加適量的設(shè)計(jì)類題目，同時(shí)刪去一些重復(fù)較多、應(yīng)用性不強(qiáng)的分析類題目。
三、革新教材編寫模式，設(shè)計(jì)自主學(xué)習(xí)型教材
長期以來，高校教材基本上是以教師為核心、以學(xué)科知識(shí)體系建構(gòu)為意圖進(jìn)行規(guī)劃編寫。這種編寫模式可以系統(tǒng)性地呈現(xiàn)課程的知識(shí)體系，方便教師進(jìn)行教學(xué)，但是卻忽視了學(xué)生的主體地位，不利于學(xué)生自主獲取知識(shí)和知識(shí)體系的構(gòu)建。筆者處在學(xué)生的角度考慮問題，參考國外同類優(yōu)秀教材，嘗試在教材的編寫模式和呈現(xiàn)方式上做以下改進(jìn)：
第一，以學(xué)生為主體，強(qiáng)調(diào)“學(xué)習(xí)者取向”。從學(xué)生的角度考慮他們有什么需求、對(duì)什么感興趣、學(xué)習(xí)中可能遇到哪些困難、怎樣利用他們已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)來解決問題等等。以此為基礎(chǔ)來組織編寫教學(xué)內(nèi)容，通過“提出問題——引發(fā)思索——分析問題——解決問題”的方式有效呈現(xiàn)教材內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的興趣，引導(dǎo)其積極思考，從而促進(jìn)其知識(shí)的建構(gòu)。
第二，把教師的指導(dǎo)以及教學(xué)方法適當(dāng)融入教材內(nèi)容中，充分體現(xiàn)教師的指導(dǎo)功能。教材增加“課程導(dǎo)學(xué)”部分（其中包括課程教學(xué)大綱），教材的每個(gè)模塊都有教學(xué)要求和學(xué)習(xí)方法建議，設(shè)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(jié)等，指導(dǎo)和幫助學(xué)生有效地理解和吸收教材內(nèi)容。
第三，增加教材的可讀性，突出可自學(xué)性。為方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)，教材結(jié)構(gòu)應(yīng)該清晰明了，語言表述通俗易懂，同時(shí)使用大量的實(shí)例、圖表，增加必要的背景資料，結(jié)合生活實(shí)際精選練習(xí)題和思考題。
第四，采用模塊測(cè)試，協(xié)助學(xué)生進(jìn)行階段性自我評(píng)估。在教材的每個(gè)模塊后面增加“模塊自測(cè)題”，借助測(cè)驗(yàn)激勵(lì)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、診斷出存在的問題、鑒定學(xué)習(xí)的效果，讓學(xué)生充分了解自己對(duì)教材掌握的程度。
四、優(yōu)化教學(xué)方法和評(píng)價(jià)制度，發(fā)揮教材的最大效能
在組織課程教學(xué)所涉及的諸多要素中教材處于重要地位。根據(jù)應(yīng)用本科人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求，模擬電子技術(shù)課程適宜采用分段式模塊化教學(xué)方法，與之相適應(yīng)，教材劃分為五大模塊進(jìn)行分段教學(xué)，同時(shí)注意將理論知識(shí)與實(shí)踐有機(jī)地融合，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)方式實(shí)施教學(xué)。此外，還要建立相應(yīng)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(xué)生成績(jī)的方法，注重過程性評(píng)價(jià)。只有這樣，才能充分發(fā)揮模塊化教材的最大效能，切實(shí)提高教學(xué)的質(zhì)量。
五、結(jié)語
本文立足于應(yīng)用型本科的人才培養(yǎng)目標(biāo)，針對(duì)現(xiàn)行模擬電子技術(shù)教材存在的不足，從教學(xué)內(nèi)容體系、教材內(nèi)容選擇以及教材編寫模式等方面進(jìn)行了大膽的探索和改革。筆者主張教材建設(shè)應(yīng)該緊跟電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，突出先進(jìn)性、實(shí)用性和工程性，采用模塊化編寫模式，創(chuàng)建高質(zhì)量的“模塊化自主學(xué)習(xí)型”模擬電子技術(shù)教材，同時(shí)輔之以分段式模塊化教學(xué)方法和分段考核方式，以期更好地滿足應(yīng)用型本科教育的要求。
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【關(guān)鍵詞】Proteus；集成電路；仿真
Proteus是一款集單片機(jī)和SPICE分析于一體的電子仿真軟件，功能非常強(qiáng)大，可以同時(shí)滿足電類各個(gè)專業(yè)課的教學(xué)，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?jǐn)?shù)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(yīng)用課程的實(shí)踐教學(xué)。為此，筆者分析了Proteus仿真軟件在課堂教學(xué)、實(shí)訓(xùn)、課程設(shè)計(jì)等各個(gè)方面的實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用情況。
1.Proteus在課堂教學(xué)中的應(yīng)用
目前適合高職院校集成電路應(yīng)用課程教學(xué)的教材相對(duì)較少，加上集成電路種類繁多，我們?cè)趯?shí)際教學(xué)中以集成電路廠家給定的datasheet文件為基礎(chǔ)自編實(shí)訓(xùn)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(jìn)行仿真演示，如NE555、LM324、OP27、LM386、LM317、MC34063、LM3914、LM331等。在集成電路應(yīng)用教學(xué)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(duì)電路的原理和功能進(jìn)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(dòng)態(tài)顯示，可以通過變換電路形式、設(shè)置輸入信號(hào)參數(shù)、調(diào)用虛擬儀表進(jìn)行測(cè)量等人機(jī)互動(dòng)功能來增加學(xué)生的興趣和對(duì)知識(shí)的理解。
如在講述NE555集成電路的多諧振蕩功能時(shí)，我們并不急于按照?qǐng)D1來講述NE555的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jiān)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(dāng)電容C1上的電壓升到4V時(shí)，Q從高電平變成低電平，電容上的電壓開始變?yōu)橄陆担?dāng)電容上的電壓下降到2V時(shí)，Q從低電平變成高電平，電容上的電壓開始變?yōu)樯仙绱朔磸?fù)形成振蕩。通過計(jì)時(shí)還能發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)象和驗(yàn)證了公式之后，再來理解圖1所示的NE555內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能就容易的多。
在對(duì)圖2使用Proteus進(jìn)行仿真時(shí)，還可以清晰看到電容C1被NE555控制進(jìn)行反復(fù)的充電和放電，充放電的轉(zhuǎn)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(diǎn)，而不需要去花很多時(shí)間來剖析繁瑣的內(nèi)部模塊和結(jié)構(gòu)。對(duì)于其他集成電路的教學(xué)，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(shí)，是以動(dòng)畫的形式顯示的，同時(shí)也可以使用仿真軟件上幀進(jìn)按鍵，每按一下前進(jìn)一幀。在講解和演示時(shí)可以在停頓的時(shí)間里做更多的穿插講解，也增加了學(xué)生的理解。
2.Proteus在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐
傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，從選定題目開始，首先要確定集成電路型號(hào)和使用的方案，之后開始設(shè)計(jì)電路圖，購買元器件，進(jìn)行PCB打樣，最后進(jìn)行焊接調(diào)試[1]，整個(gè)過程中還需要使用到若干儀器、儀表和工具。如沒有達(dá)到設(shè)計(jì)功能，整個(gè)過程或者部分環(huán)節(jié)就可能需要反復(fù)進(jìn)行。采用PROTEUS軟件后，只需要搭建完整的電路圖就可進(jìn)行功能測(cè)試和評(píng)估，還可以通過調(diào)整元器件參數(shù)使整個(gè)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(diào)試等費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作，等仿真結(jié)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(diào)試的工作。
例如，如圖3所示的在三運(yùn)放差分放大器的實(shí)訓(xùn)中，根據(jù)理論計(jì)算和圖中電阻阻值設(shè)置，VO=2.1（V2-V1），使用軟件仿真時(shí)給定V2=0.2V，V1=0.1V，則通過虛擬測(cè)量VO正好為2.1V。通常利用軟件仿真得到正確的結(jié)果并不容易，調(diào)試結(jié)束之后，大部分學(xué)生均能取得下列認(rèn)識(shí)：
（1）測(cè)量可知運(yùn)放的輸入端電流基本為0，即運(yùn)放的虛斷概念；
（2）測(cè)量可知運(yùn)放的輸入的+、-兩端的電壓差基本為0，即運(yùn)放的虛短概念；
（3）運(yùn)放通常需要給正負(fù)雙電源才能正常工作，而且電源極性不能搞反；
（4）運(yùn)放輸出的電壓值不可能超出電源范圍；
（5）仿真電路圖中運(yùn)放的各輸出點(diǎn)電壓都能通過理論計(jì)算得到，而且誤差不大。
（6）如將運(yùn)放更換為LM324運(yùn)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(diào)電壓才10uV，而LM324的2mV。
3.Proteus在課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)踐
在學(xué)習(xí)A/D變換集成電路時(shí)，作為本課程的課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目之一，我們選擇使用ICL7107集成電路來制作一個(gè)LED數(shù)字電壓計(jì)。傳統(tǒng)的做法是老師給定完整的電路圖，學(xué)生用1-2周的時(shí)間在實(shí)驗(yàn)板上焊接調(diào)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(xué)生很難理解，實(shí)訓(xùn)時(shí)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(chǔ)上根據(jù)故障現(xiàn)象進(jìn)行分析和判斷，更不能獨(dú)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(jìn)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(zhuǎn)換成時(shí)間間隔的過程，在仿真的過程中，學(xué)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(fù)電壓的產(chǎn)生過程。學(xué)生在電腦上仿真成功后，對(duì)照仿真電路圖進(jìn)行焊接，然后再根據(jù)仿真的現(xiàn)象對(duì)焊接完的電路板進(jìn)行調(diào)試，如出現(xiàn)故障，也能借助仿真軟件的虛擬儀表來進(jìn)行測(cè)試，幫助進(jìn)行最終的故障分析和定位。
4.Proteus軟件在實(shí)踐教學(xué)中的特點(diǎn)
Proteus軟件在集成電路應(yīng)用課程中起到了很好的作用，最突出的特點(diǎn)是學(xué)生的積極主動(dòng)性有了顯著的提高，作為一個(gè)電子仿真軟件，Proteus對(duì)其他電類課程也可以起到較好的輔助教學(xué)作用，主要的優(yōu)點(diǎn)如下：
（1）可以達(dá)到學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主的目的。原則上只要有電腦就可以學(xué)習(xí)，學(xué)生課后也能在自己的電腦上進(jìn)行學(xué)習(xí)，虛擬的元器件和儀器儀表也不可能被損壞，學(xué)生也不會(huì)怕觸電怕短路，能做到大膽嘗試，增強(qiáng)獨(dú)立解決問題的能力，減少學(xué)習(xí)的依耐性[2]。
（2）解決學(xué)校實(shí)踐條件不足的問題。利用學(xué)校已有的機(jī)房輕易實(shí)現(xiàn)一人一機(jī)的實(shí)踐環(huán)境。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室需要元器件、電源、萬用表、示波器、常用工具等硬件設(shè)施，容易損壞，難于管理，仿真教學(xué)和學(xué)習(xí)相對(duì)容易的多。
（3）設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)替代驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)受到已有元器件的限制，實(shí)訓(xùn)往往按部就班，不能開發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，不利于培養(yǎng)產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計(jì)的能力，仿真軟件的使用可以使學(xué)生在虛擬的環(huán)境中充分發(fā)揮自己的想象，設(shè)計(jì)出不同的電路方案。
5.結(jié)束語
Proteus仿真軟件為集成電路應(yīng)用等電子類課程的教學(xué)提供了比較方便的途徑，解決了很多傳統(tǒng)時(shí)間教學(xué)無法解決的問題，但它畢竟是虛擬的環(huán)境，只能作為教學(xué)的補(bǔ)充，要讓學(xué)生真正學(xué)習(xí)到電路的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、調(diào)試和維修方面的技能，還需要多動(dòng)手接觸實(shí)際的電路實(shí)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(shí)際的實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)。
參考文獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介：
大約從20世紀(jì)80年代起，就有許多業(yè)內(nèi)專家宣稱模擬電路已走進(jìn)死胡同，而數(shù)字應(yīng)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(xiàn)實(shí)中，當(dāng)然，現(xiàn)代化的通信系統(tǒng)同時(shí)需要將模擬及數(shù)字功能復(fù)雜地融合在一起。
不過有一個(gè)問題，比起它的數(shù)字同胞，在支持自動(dòng)化能力這方面，模擬設(shè)計(jì)及驗(yàn)證工具卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。其結(jié)果，模擬設(shè)計(jì)工程師的生產(chǎn)力遠(yuǎn)不及數(shù)字搭檔來得強(qiáng)。
就以數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)為例，現(xiàn)代最先進(jìn)的設(shè)計(jì)環(huán)境提供了高階的自動(dòng)化，即使是包含上億個(gè)晶體管的最復(fù)雜設(shè)計(jì)，也能在短短幾天內(nèi)重新轉(zhuǎn)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(shù)節(jié)點(diǎn)。
相對(duì)地，缺乏自動(dòng)化支持的傳統(tǒng)式模擬設(shè)計(jì)環(huán)境，代表模擬電路的制作及修改幾乎全靠人工。這樣的結(jié)果，即使把相當(dāng)簡(jiǎn)單的模擬功能轉(zhuǎn)向新的代工廠、制程或技術(shù)節(jié)點(diǎn)，也要耗費(fèi)6～12個(gè)月的時(shí)間。換言之，雖然尖端的數(shù)字設(shè)計(jì)已經(jīng)達(dá)到32nm的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，絕大多數(shù)的模擬設(shè)計(jì)仍深陷在130nm及250nm節(jié)點(diǎn)的泥沼之中，那算是5～10年前的老舊技術(shù)了。
首先，本文先提出數(shù)字設(shè)計(jì)及驗(yàn)證技術(shù)演進(jìn)的概觀，并說明現(xiàn)代最先進(jìn)數(shù)字設(shè)計(jì)環(huán)境在支持高階自動(dòng)化上的生產(chǎn)力優(yōu)勢(shì)。本文接著提出模擬設(shè)計(jì)及驗(yàn)證技術(shù)演進(jìn)的概觀，并且拿來跟數(shù)字的自動(dòng)化能力做對(duì)比。
最后，本文討論了模擬工具必須予以強(qiáng)化以支持更高階自動(dòng)化的方法；同時(shí)也闡述了現(xiàn)代化IC設(shè)計(jì)環(huán)境必須強(qiáng)化的方法，以具備足以支持真正的、統(tǒng)一的、全芯片混合信號(hào)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、及實(shí)現(xiàn)的能力。
數(shù)字工具的演進(jìn)
早期的數(shù)字IC設(shè)計(jì)，約20世紀(jì)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(hào)，并且用來實(shí)現(xiàn)符號(hào)之間連線的設(shè)計(jì)。
執(zhí)行“功能驗(yàn)證”時(shí)，通常是一群工程師圍坐在桌子旁，通過原理圖兢兢業(yè)業(yè)地討論：“這部分我看應(yīng)該沒問題!”同樣地，進(jìn)行“時(shí)序驗(yàn)證”時(shí)，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(gòu)都是以人工繪制而成的。
毫無疑問，這種手工藝品方式的設(shè)計(jì)極為耗時(shí)，而且很容易出錯(cuò)。這種情形必須要有解決之道，于是有些公司及大學(xué)就率先跳出來，采用各種不同的研究方向。就設(shè)計(jì)獲取(design capture)而言，門級(jí)(gate-level)的“原理圖獲取”套件即在市場(chǎng)上開始出現(xiàn)，至于功能及時(shí)序驗(yàn)證，在20世紀(jì)60～70年代初期所看到的，則是先出現(xiàn)以“事件驅(qū)動(dòng)邏輯仿真器”及“靜態(tài)時(shí)序分析器”為形式的專門程序。
以抽象的門級(jí)建立數(shù)字設(shè)計(jì)，就如同使用匯編語言撰寫軟件程序一般。就執(zhí)行效率及所需的計(jì)算機(jī)內(nèi)存數(shù)量而言，匯編語言的程序或許是不錯(cuò)的實(shí)施，但它需要很長時(shí)間的獲取及確認(rèn)，而且不容易轉(zhuǎn)到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)上。同樣，門級(jí)的表示方式也需要很長的時(shí)間獲取及確認(rèn)，轉(zhuǎn)移到新的代工廠或制程／技術(shù)節(jié)點(diǎn)也相當(dāng)困難。
至于軟件方面，開發(fā)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(gè)更高層次的抽象概念。然后，這些高級(jí)表達(dá)式可以編譯成計(jì)算機(jī)所需的機(jī)器級(jí)指令。這些高級(jí)表達(dá)式的優(yōu)點(diǎn)是，可容許軟件開發(fā)者迅速而精準(zhǔn)地捕捉到程序的含義，確認(rèn)其功能。同時(shí)，以C語言撰寫的程序可以很容易地轉(zhuǎn)移到其他的計(jì)算機(jī)平臺(tái)。
同樣，對(duì)于數(shù)字邏輯而言，設(shè)計(jì)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(jì)80～90年代初期登場(chǎng)的“邏輯綜合”(logic synthesis)則用來將RTL表示式編譯成對(duì)應(yīng)的門級(jí)網(wǎng)表(netlist)。這項(xiàng)“前端”綜合技術(shù)另以“后端”的自動(dòng)布局布線(place-and-route)引擎補(bǔ)其不足之處，后者可從門級(jí)網(wǎng)表，執(zhí)行設(shè)計(jì)的物理實(shí)現(xiàn)。
循著C語言程序在編譯后能用在不同計(jì)算機(jī)上的足跡，RTL與邏輯綜合的組合讓數(shù)字設(shè)計(jì)能更輕易地移植到新的代工廠或制程／技術(shù)節(jié)點(diǎn)。
模擬工具的演進(jìn)
實(shí)際上，模擬電路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與驗(yàn)證工具，在早期是優(yōu)于數(shù)字電路的。模擬電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)在剛起步的時(shí)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(yàn)證。
在設(shè)計(jì)由離散(獨(dú)立封裝)的元器件例如晶體管、電阻器、電容器及電感組成時(shí)，通常是建立設(shè)計(jì)的實(shí)體原型，將它放上測(cè)試平臺(tái)(test bench)，測(cè)量實(shí)際的數(shù)值，以判定性能優(yōu)異，然后參考元器件所得的數(shù)值，新增或移除所需的元器件，以達(dá)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(shí)并不可行，因?yàn)镮C設(shè)計(jì)的工程變更代價(jià)非常昂貴。在20世紀(jì)60～70年代初期，有幾所大學(xué)及商業(yè)公司著手開發(fā)模擬仿真器。這些程序讓學(xué)生及工程師得以仿真模擬電路，而無須實(shí)際付諸行動(dòng)制造。早期的幾個(gè)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(xué)柏克萊分校所開發(fā)，并在70年代初期廣為流傳供大家使用。
隨著時(shí)間的演進(jìn)，模擬仿真在基本模型及算法的復(fù)雜度，以及仿真引擎的能力與表現(xiàn)上，有顯著的發(fā)展。多數(shù)今日所使用的模擬工具都發(fā)祥成形于20世紀(jì)90年代的初期與中期。和其他不同的是，這些工具的基本結(jié)構(gòu)從未試圖支持混合信號(hào)設(shè)計(jì)環(huán)境的復(fù)雜需求，一如本文稍后章節(jié)的討論。
或許更重要的是，現(xiàn)今的模擬設(shè)計(jì)及驗(yàn)證工具在實(shí)質(zhì)上僅限于捕捉及模擬晶體管級(jí)的單線圖。到目前為止，有關(guān)自動(dòng)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(jí)電路。
自動(dòng)優(yōu)化模擬電路。
自動(dòng)布局布線模擬電路。
最終的結(jié)局是，模擬集成電路仍舊大多處于全定制，并以人工方式費(fèi)心費(fèi)力繪制。除了非常昂貴、耗時(shí)、容易出錯(cuò)以外，這類晶體管級(jí)的設(shè)計(jì)型態(tài)并不容許現(xiàn)有的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單地就能轉(zhuǎn)換到新的代工廠或制程／技術(shù)節(jié)點(diǎn)。相反的是，欲移植這類型的設(shè)計(jì)需要將電路重頭開始，重新實(shí)施，耗時(shí)9～12個(gè)月是常有的事。
這也有助于說明為何最尖端的數(shù)字設(shè)計(jì)目前已邁入32nm的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，但最先進(jìn)的模擬設(shè)計(jì)只在90nm節(jié)點(diǎn)，而且大部分的模擬設(shè)計(jì)依然深陷在130nm及250nm節(jié)點(diǎn)的泥沼中，那算是5～10 年前的老舊技術(shù)了。
模擬自動(dòng)化的要求
此處所說的要求可以簡(jiǎn)要地說明之；如何實(shí)際達(dá)成可說非常地復(fù)雜。最低限度，強(qiáng)化后的模擬設(shè)計(jì)工具必須能提供與數(shù)字設(shè)計(jì)相類似的自動(dòng)化及生產(chǎn)力能力。這些自動(dòng)化能力應(yīng)包括但不限于以下：
在高階抽象概念下確認(rèn)模擬功能的能力，然后自動(dòng)將表示式編譯成等價(jià)的晶體管層級(jí)。
自動(dòng)執(zhí)行模擬精細(xì)改進(jìn)及優(yōu)化的能力。
自動(dòng)在IC上布局模擬零組件的能力。
自動(dòng)在IC上布線模擬零組件的能力。
從某制程／技術(shù)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)移植模擬設(shè)計(jì)制程至另一個(gè)，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(diǎn)就是所有其他點(diǎn)的疊合。老實(shí)說，需耗費(fèi)6～12個(gè)月才能將模擬設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到新的技術(shù)節(jié)點(diǎn)早已令人無法接受。若能透過自動(dòng)化將此過程降低到僅需數(shù)天的時(shí)間，模擬功能即可享受到功耗及最新技術(shù)節(jié)點(diǎn)性能特征的完全優(yōu)勢(shì)。
混合信號(hào)的考慮
直到最近，大部分的集成電路在性質(zhì)上若不是純數(shù)字，就是純模擬。因此，很自然地，任何用來設(shè)計(jì)或驗(yàn)證這些器件所使用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具，都是只為數(shù)字或只為模擬的領(lǐng)域單獨(dú)設(shè)計(jì)的。
初期的通信系統(tǒng)是由一大堆相當(dāng)簡(jiǎn)單的模擬及數(shù)字IC所組成。隨著時(shí)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(jié)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(shù)字功能合并在數(shù)字芯片上。直到最近，終于將模擬及數(shù)字功能結(jié)合在單一的混合信號(hào)裝置上。
經(jīng)過這些年的發(fā)展，雖然傳統(tǒng)的模擬與數(shù)字設(shè)計(jì)及驗(yàn)證工具，在容量及性能上已有長足地進(jìn)步，但其最基本的底層架構(gòu)大部分仍是以20世紀(jì)90年代中期的技術(shù)為基礎(chǔ)，而這些工具依舊專注在模擬或數(shù)字的領(lǐng)域。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，模擬與數(shù)字的工具及流程使用不同的數(shù)據(jù)庫，因此這兩個(gè)領(lǐng)域之間的交互非常困難。其結(jié)果是數(shù)字及模擬的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)向來都是井水不犯河水，甚少關(guān)注對(duì)方到底是在研究什么。
即使是現(xiàn)代“最先進(jìn)”的混合信號(hào)及全定制設(shè)計(jì)環(huán)境，數(shù)字與模擬團(tuán)隊(duì)大多還是各自獨(dú)立作業(yè)，甚少涉足到對(duì)方的領(lǐng)域中。在芯片最后整合(chip finishing)的階段，也就是將模擬模塊和數(shù)字模塊擺放在一起并走線的時(shí)候，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)才首次見面并互相介紹認(rèn)識(shí)，這種情況并不罕見。
芯片最后整合通常是以人工的方式執(zhí)行，其中發(fā)生在芯片投片之前的就有許多工作。由于缺少自動(dòng)化，芯片最后整合活動(dòng)及動(dòng)作常常不能反饋回原來的模塊設(shè)計(jì)，這有可能導(dǎo)致成為下一代芯片在設(shè)計(jì)重用上產(chǎn)生問題。
總結(jié)
關(guān)鍵詞：跨導(dǎo)運(yùn)算放大器；增益增強(qiáng)；全差動(dòng);開關(guān)電容共模反饋
中圖分類號(hào)：TN402 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
文章編號(hào)：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(shè)計(jì)領(lǐng)域，如在開關(guān)電容濾波器、AD轉(zhuǎn)換器等電路中，運(yùn)算跨導(dǎo)放大器(OTA)是十分重要的模塊。在運(yùn)放的設(shè)計(jì)中，他的各項(xiàng)參數(shù)之間存在著折衷。開環(huán)直流增益和單位增益帶寬(GBW)是兩個(gè)重要的參數(shù)，開環(huán)直流增益決定著運(yùn)算放大器的精度，比如要保證增益誤差在0-01%~0-1%以內(nèi)，至少需要60~80 dB的低頻增益;GBW則決定著運(yùn)放的速度。
相對(duì)于單端輸出的運(yùn)放，全差動(dòng)運(yùn)放有以下優(yōu)點(diǎn)[1]：對(duì)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(guān)電容電路中可以通過增加一個(gè)開關(guān)消除電荷注入效應(yīng)[2]。因此盡管全差動(dòng)運(yùn)放需要額外的共模反饋(CMFB)電路來穩(wěn)定輸出電壓，但目前高性能模擬電路仍大多采用全差動(dòng)的工作方式。
在深亞微米設(shè)計(jì)中，溝道長度調(diào)制效應(yīng)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(qiáng)技術(shù)[3]可以有效提高運(yùn)放的增益并且不會(huì)影響頻率特性。本文采用增益增強(qiáng)技術(shù)，在1-8 V電源電壓下，設(shè)計(jì)了一種全差動(dòng)低功耗的運(yùn)算跨導(dǎo)放大器。采用一種改進(jìn)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(shí)間和更高的精度。
2 電路原理與結(jié)構(gòu)
2.1 電路原理與結(jié)構(gòu)
如圖1所示，在兩條共源共柵支路上，輔助運(yùn)放A1和A2從支路電流取樣，控制M3~M6的柵極電壓，相當(dāng)于給M3~M6引入了電流串聯(lián)負(fù)反饋，由負(fù)反饋的理論[1]可知，這種類型的負(fù)反饋將使每條支路輸出阻抗提高A1或A2倍。
在沒有兩個(gè)輔助運(yùn)放A1和A2時(shí)，輸出點(diǎn)的阻抗為：
2.2 主運(yùn)放結(jié)構(gòu)的選擇
目前流行的OTA結(jié)構(gòu)中，套筒結(jié)構(gòu)有最優(yōu)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(shè)計(jì)。折疊共源共柵結(jié)構(gòu)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(yīng)用。本設(shè)計(jì)主運(yùn)放采用折疊共源共柵結(jié)構(gòu)，總體電路如圖1所示。
選擇P管使得次極點(diǎn)較遠(yuǎn)，有較好的頻率特性，并優(yōu)化了1/f噪聲。另外對(duì)于Gain-Boost，后面會(huì)看到輔助運(yùn)放單位增益頻率的選擇也受到主運(yùn)放帶寬和第一非主極點(diǎn)的限制，P輸入對(duì)管兩個(gè)極點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，也使得設(shè)計(jì)更為方便。
2.3 輔助運(yùn)放結(jié)構(gòu)
兩個(gè)輔助運(yùn)放也為折疊共源共柵結(jié)構(gòu)，其中A1管輸入共模電平較低，用PMOS作為輸入對(duì)管，A2則采用N管輸入。輔助運(yùn)放的共模反饋電路采用連續(xù)時(shí)間共模反饋，因?yàn)檩o助運(yùn)放驅(qū)動(dòng)的負(fù)載電容較小，為不影響帶寬，開關(guān)電容電路勢(shì)必需要更小的電容，導(dǎo)致時(shí)鐘饋通效應(yīng)、電荷注入效應(yīng)更加明顯；另外輔助運(yùn)放不需要大的輸出擺幅，采用連續(xù)時(shí)間共模反饋也能使建立時(shí)間更短。輔助運(yùn)放A1及其共模反饋電路如圖2所示(A2結(jié)構(gòu)與此類似)。
3 電路設(shè)計(jì)
3.1 開關(guān)電容共模反饋
主運(yùn)放采用開關(guān)電容共模反饋，具有大的輸出擺幅并且?guī)缀醪幌撵o態(tài)功耗等優(yōu)點(diǎn)。圖3為一種常用的SC-CMFB結(jié)構(gòu)。
在一些手提及電池供電系統(tǒng)中要求有電源關(guān)斷模式以降低功耗，因此開關(guān)電容共模反饋的建立時(shí)間是重要的，他決定了模擬電路從電源開啟或從關(guān)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(shè)計(jì)采用的一種SC-CMFB電路[5],如圖4所示。
SC-CMFB電路何時(shí)開始工作取決于C2上的電壓何時(shí)建立到Vcm-Vb，圖4所示電路在F1和F2兩個(gè)周期都有C1和C2并聯(lián)，給C2充電，理論上講將有比圖3的電路快一倍的建立時(shí)間。另外，由于在C2兩旁的時(shí)鐘總有相反的相位，當(dāng)一個(gè)開啟時(shí)，另一個(gè)關(guān)斷，使得時(shí)鐘饋通效應(yīng)和溝道電荷注入效應(yīng)都得到了抑制，C2的值也可選得更小。
開關(guān)電容的選取原則：
(1) Ct=C1+C2連到了運(yùn)放輸出端，這增加了運(yùn)放的總負(fù)載，要求Ct盡量小；
(2) 共模環(huán)路也要求有足夠的帶寬以抑制共模擾動(dòng)，一般要設(shè)為等于或大于差模環(huán)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(guān)實(shí)際上組成一個(gè)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(jù)以上規(guī)則，經(jīng)過計(jì)算和仿真調(diào)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(shí)間仿真圖，兩種結(jié)構(gòu)選擇相同的總電容。時(shí)鐘周期為50 ns，圖中可見，改進(jìn)的SC-CMFB電路有更快的建立時(shí)間和更理想的穩(wěn)定電壓值。
3.2 輔助運(yùn)放設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)輔助運(yùn)放時(shí)必須注意零極點(diǎn)的偶對(duì)(doublet)現(xiàn)象，如果偶對(duì)出現(xiàn)在系統(tǒng)的-3 dB點(diǎn)以內(nèi)，則會(huì)使系統(tǒng)的建立時(shí)間加長。在Gain-Boost中，偶對(duì)通常出現(xiàn)在輔助運(yùn)放的單位增益頻率附近，提高偶對(duì)的發(fā)生頻率可以避免他對(duì)建立時(shí)間的影響，但如果提高到主運(yùn)放次極點(diǎn)附近時(shí)，將會(huì)使運(yùn)放出現(xiàn)不穩(wěn)定。因此輔助運(yùn)放的設(shè)計(jì)必須滿足[6,7]：
│陋│鬲u≤ωa≤ωp,2
其中β為閉環(huán)系統(tǒng)反饋系數(shù)，ωu為主運(yùn)放的單位增益帶寬，ωa為輔助運(yùn)放的單位增益帶寬，ωp,2為主運(yùn)放第一非主極點(diǎn)頻率。在設(shè)計(jì)中先假設(shè)β=1，這樣對(duì)于更低β值也能滿足條件。主運(yùn)放第一非主極點(diǎn)的位置不好確定，可以選擇輔助運(yùn)放單位增益頻率略大于主運(yùn)放的單位增益頻率，根據(jù)仿真結(jié)果看是否需要調(diào)整或加補(bǔ)償電容。
4 電路仿真
電路采用中芯國際(SMIC)0-18 μm混合信號(hào)工藝設(shè)計(jì)，1-8 V電壓供電，在Hspice中進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真時(shí)，負(fù)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(fù)載電容實(shí)際約為1 pF。圖6所示是運(yùn)放的頻率響應(yīng)。
運(yùn)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(yùn)放接為單位增益模式，測(cè)量出建立時(shí)間為4-5 ns(0.1%建立誤差)，壓擺率為530 V/μs。運(yùn)放的其他一些主要參數(shù)示于表1中。
表1 OTA主要性能參數(shù)
5 結(jié) 語
本文對(duì)增益增強(qiáng)技術(shù)的工作原理進(jìn)行了分析，并利用0-18 μm混合信號(hào)工藝設(shè)計(jì)了一個(gè)全差動(dòng)跨導(dǎo)運(yùn)算放大器，采用了一種改進(jìn)的SC-CMFB電路，有更快的共模電平建立時(shí)間和更高的精度。仿真結(jié)果表明，在1-8 V電源電壓下可以達(dá)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(zhuǎn)換器等領(lǐng)域。
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關(guān)鍵詞：EWB；電子電路仿真設(shè)計(jì)
1 軟件的性能和特點(diǎn)
(1)采用直觀的圖形界面創(chuàng)建電路：在計(jì)算機(jī)屏幕上模仿真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的工作臺(tái)，繪制電路圖需要的元器件、電路仿真需要的測(cè)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(shí)物相似，可以實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)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(shè)計(jì)工具，它可以同其它流行的電路分析、設(shè)計(jì)和制板軟件交換數(shù)據(jù)。
(5)EWB還是一個(gè)優(yōu)秀的電子技術(shù)訓(xùn)練工具，利用它提供的虛擬儀器可以用比實(shí)驗(yàn)室中更靈活的方式進(jìn)行電路實(shí)驗(yàn)，仿真電路的實(shí)際運(yùn)行情況，熟悉常用電子儀器測(cè)量方法。
2 軟件的操作說明
2.1 元件與信號(hào)源
EWB軟件的工作界面具備美觀大方、簡(jiǎn)捷明了的特點(diǎn)。在基本工作區(qū)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(jù)圖標(biāo)選擇所需要的的元件或儀表，使用鼠標(biāo)拖放操作安放元器件到工作平臺(tái)，完成實(shí)驗(yàn)電路連接。選中虛擬儀器圖標(biāo)，通過使用鼠標(biāo)拖放操作，可以安放儀器儀表，設(shè)置好儀器儀表的參數(shù)后，按下仿真開關(guān)控制電路的運(yùn)行與停止，即可觀察測(cè)試結(jié)果，在基本工作區(qū)下方是電路描述窗口，可根據(jù)需要輸入有關(guān)電路的介紹或說明。
EWB提供了豐富的元器件庫，根據(jù)不同類型可分成：信號(hào)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(shù)字集成電路庫、邏輯門電路庫、數(shù)字觸發(fā)器庫、指示器件庫、控制器件庫、雜元件庫和自定義庫。
在設(shè)計(jì)電路時(shí)，設(shè)計(jì)人員根據(jù)需要從該庫中進(jìn)行查找與選取元器件，對(duì)選中的元件用鼠標(biāo)左鍵將其拖放到電子平臺(tái)工作區(qū)，同時(shí)可利用旋轉(zhuǎn)、平翻、直翻調(diào)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(biāo)操作對(duì)元件進(jìn)行移動(dòng)、復(fù)制與刪除。為了使電路連接簡(jiǎn)單明了，還可以將一些常用電路定為子電路，子電路相當(dāng)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(biāo)庫里，供以后反復(fù)調(diào)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(tái)，在電路設(shè)計(jì)中，每種儀器只可使用一次，這是其軟件設(shè)計(jì)的局限性，而目前其升級(jí)版本Multisim已將虛擬儀器增加到11個(gè)，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(shù)發(fā)生器、示波器、波特圖儀(掃頻儀)以及電壓表、電流表，數(shù)字儀器儀表包括數(shù)字發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)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(guān)，若改變電路的測(cè)試點(diǎn)，則顯示的數(shù)據(jù)和波形也會(huì)相應(yīng)變化，而不用重新啟動(dòng)電路。EWB的虛擬測(cè)試設(shè)備能提供快捷簡(jiǎn)單的分析，主要包括直接工作點(diǎn)，瞬態(tài)，交流頻率掃描，付立葉、噪聲、失真度、參數(shù)掃描、零極點(diǎn)、傳遞函數(shù)、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(shù)工作中的實(shí)際應(yīng)用
3.1 在廣播電視技術(shù)培訓(xùn)工作中的應(yīng)用
EWB軟件是一款優(yōu)秀的EAD軟件，推出后得到了社會(huì)各界的好評(píng)。尤其是在教育領(lǐng)域取得了巨大的成功，許多院校把EWB作為電子類專業(yè)課教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的各種輔助手段，最大限度的滿足了廣大學(xué)生和工程技術(shù)人員的迫切需求。針對(duì)軟件的這種特殊效能，近年來在廣播電視技術(shù)領(lǐng)域中，EWB也同樣得到了普遍應(yīng)用，尤其是許多單位把EWB 軟件應(yīng)用在了技術(shù)隊(duì)伍培訓(xùn)工作中收效顯著。廣播電視高新技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)廣播電視技術(shù)從業(yè)人員的整體素質(zhì)提出了更高要求，需要廣泛開展技術(shù)培訓(xùn)工作，但是在職教育和在校學(xué)習(xí)有著很大的差別，資金、場(chǎng)地、設(shè)備、設(shè)施等諸多因素制約了技術(shù)培訓(xùn)工作的良性發(fā)展，EWB軟件的應(yīng)用不僅較好的解決了這一問題，而且體現(xiàn)了三個(gè)優(yōu)越特點(diǎn)：(1)節(jié)約資金、高質(zhì)高效；(2)功能強(qiáng)大、直觀形象；(3)操作簡(jiǎn)便、方便普及。許多單位還把EWB軟件應(yīng)用在了廣播電視技術(shù)能手競(jìng)賽中，更是得到了意想不到的效果。通過對(duì)軟件的應(yīng)用不僅克服了客觀條件給技術(shù)競(jìng)賽多形式、多層面開展帶來的制約，同時(shí)也可以全面的考查參賽選手的實(shí)踐技能，為展示技術(shù)人員的綜合技術(shù)水平搭建了最佳平臺(tái)。
3.2 利用EWB軟件進(jìn)行電子電路仿真設(shè)計(jì)
EWB的優(yōu)越性能為激發(fā)廣大技術(shù)人員的潛在智能提供了廣闊空間。利用EWB可以設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、復(fù)雜、模擬、數(shù)字等各式電路。這為廣大技術(shù)人員開展技術(shù)改造、技術(shù)革新工作提供了非常實(shí)用的工具。尤其是廣播電視發(fā)射設(shè)備的固態(tài)化、數(shù)字化、自動(dòng)化的發(fā)展方向，使計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、測(cè)量、維護(hù)等在廣播電視技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，EWB軟件的出色性能表現(xiàn)，也得到了廣大技術(shù)人員的青睞。下面僅以雙音報(bào)警器電路的仿真實(shí)驗(yàn)為例，向大家簡(jiǎn)單介紹其電路設(shè)計(jì)與分析。首先設(shè)計(jì)電路原理圖(見圖1)并根據(jù)電路需要選擇所需元件參數(shù)。
圖1
用鼠標(biāo)將元件、儀器拖到電子工作平臺(tái)，根據(jù)電路原理圖調(diào)整元件，儀器布局，并設(shè)定元件標(biāo)值，調(diào)整儀器設(shè)置的選項(xiàng)，按通仿真開關(guān)，即可進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，如果電路設(shè)計(jì)、連接正確，此時(shí)揚(yáng)聲器應(yīng)該發(fā)出“滴、嘟、滴、嘟”…..的雙聲音，用示波器觀察IC1、IC2的輸出波形，應(yīng)該是頻率不同的兩個(gè)方波(見圖2)，可通過打印機(jī)打印出來，進(jìn)行實(shí)際電路的組裝。
圖2
此電路原理主要是應(yīng)用555時(shí)基電路組成兩個(gè)多諧振蕩器，用IC1輸出的方波信號(hào)通過R5去控制IC2的5腳電平，當(dāng)IC1輸出高電平時(shí)，IC2的振蕩頻率低，當(dāng)IC1輸出低電平時(shí)，IC2的振蕩頻率高，因此IC2的振蕩頻率被IC1的輸出電壓調(diào)制為兩種音頻頻率，所以揚(yáng)聲器發(fā)出雙音聲響。此電路可應(yīng)用在發(fā)射臺(tái)鐵塔匹配間防盜報(bào)警，也可在改進(jìn)后應(yīng)用于水箱上水報(bào)警等其他方面。
參考文獻(xiàn)
關(guān)鍵詞:模擬電路;故障診斷;小波分析法
中圖分類號(hào):TN108.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1007-9599 (2010) 01-0000-01
模擬電路發(fā)生了故障,就不能達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)所規(guī)定的功能和指標(biāo),這種電路稱為故障電路。故障診斷就是要對(duì)電路進(jìn)行一定的測(cè)試,從測(cè)試結(jié)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(gè)前沿領(lǐng)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(nèi)容是當(dāng)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已知,并在一定的電路激勵(lì)下知道一部分電路的響應(yīng),求電路的參數(shù),他是近代電路理論中新興的第三個(gè)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(zhì)來分有早期故障、偶然故障和損耗故障。早期故障是由設(shè)計(jì)、制造的缺陷等原因造成的、在使用初期發(fā)生的故障,早期故障率較高并隨時(shí)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(nèi)發(fā)生的故障,偶然故障率較低且為常數(shù)。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(fā)生的故障,損耗故障率較大且隨時(shí)間迅速上升。從故障發(fā)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(shí)間和環(huán)境條件的影響緩慢變化而超出容差造成的、通過事前測(cè)試或監(jiān)控可以預(yù)測(cè)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(xiàn)很大偏差(如開路、短路)造成的、通過事前測(cè)試或監(jiān)控不能預(yù)測(cè)到的故障。從同時(shí)故障數(shù)及故障間的相互關(guān)系來分有單故障、多故障、獨(dú)立故障和從屬故障。單故障指在某一時(shí)刻故障僅涉及一個(gè)參量或一個(gè)元件,常見于運(yùn)行中的設(shè)備。多故障指與幾個(gè)參量或元件有關(guān)的故障,常見于剛出廠的設(shè)備。
二、模擬電路故障測(cè)試的傳統(tǒng)方法
一般來講,模擬電路故障診斷的方法可以分為估計(jì)法,測(cè)試前模擬法和測(cè)試后模擬法三大類。估計(jì)法是一種近似法,這類方法一般只需較少的測(cè)量數(shù)據(jù),采用一定的估計(jì)技術(shù),估計(jì)出最可能發(fā)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(jù)被測(cè)電路或系統(tǒng)的解析關(guān)系來判斷最可能的故障元件,概率法是依據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理決定電路或系統(tǒng)中各元件發(fā)生故障的概率,從而判斷出最可能的故障元件。
測(cè)前模擬法又稱故障字典法或故障模擬法,其理論基礎(chǔ)是模式識(shí)別原理,基本步驟是在電路測(cè)試之前,用計(jì)算機(jī)模擬電路在各種故障條件下的狀態(tài),建立故障字典;電路測(cè)試以后,根據(jù)測(cè)量信號(hào)和某種判決準(zhǔn)則查字典。從而確定故障。選擇測(cè)試測(cè)量點(diǎn)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(cè)試點(diǎn)盡可能少,必須選擇具有高分辨率的測(cè)試點(diǎn)。
測(cè)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(lǐng)域,其特點(diǎn)是在電路測(cè)試后,根據(jù)測(cè)量信息對(duì)電路模擬,從而進(jìn)行故障診斷。根據(jù)同時(shí)可診斷的故障是否受限,SAT又分為任意故障診斷(或參數(shù)識(shí)別技術(shù))及多故障診斷(或故障證實(shí)技術(shù))。
三、模擬電路的故障測(cè)試的創(chuàng)新方法――小波分析法
1.小波分析法是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬測(cè)試
基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬從測(cè)試點(diǎn)提取電壓信號(hào)特征進(jìn)行故障診斷,而從電源電流測(cè)試角度開展的工作還十分有限。模擬電路中的電流是一個(gè)重要的參數(shù),也是故障信息的重要組成部分,包含著電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的豐富信息。若電路發(fā)生故障,輸出電流波形將隨之發(fā)生相應(yīng)變化,含有豐富的故障類信息。對(duì)任一電路而言,電源節(jié)點(diǎn)是通用的,測(cè)量也比較方便,特別是目前模擬/混合電路的集成度與復(fù)雜度不斷提高,可利用的測(cè)試管腳有限,給測(cè)試和診斷帶來極大困難,因此對(duì)電源電流測(cè)試的研究具有重要意義。
小波變換具有同時(shí)在時(shí)-頻域分析信號(hào)、大量壓縮數(shù)據(jù)的屬性,對(duì)采樣數(shù)據(jù)經(jīng)小波變換預(yù)處理后,能有效提取故障特征,簡(jiǎn)化了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、提高了訓(xùn)練速度。小波變換具有同時(shí)在時(shí)-頻域分析信號(hào)、大量壓縮數(shù)據(jù)的屬性,已廣泛應(yīng)用于信號(hào)檢測(cè)、故障診斷等研究領(lǐng)域。在模擬集成電路故障診斷中,小波變換用來預(yù)處理采樣數(shù)據(jù),提取故障特征。二進(jìn)小波變換通過多分辨分析算法來實(shí)現(xiàn),將信號(hào)分解為近似(低頻)和細(xì)節(jié)(高頻)兩部分,分別對(duì)近似和細(xì)節(jié)繼續(xù)分解,形成信號(hào)的多層分解結(jié)構(gòu)。
2.基于小波分析的模擬電路故障診斷
在電路信號(hào)的特征提取中,常采用頻譜分析的方法。但是基于統(tǒng)計(jì)分析的傅立葉分析僅對(duì)不隨時(shí)間變化的平穩(wěn)信號(hào)十分有效,對(duì)于模擬電路響應(yīng)信號(hào)中通常含有非平穩(wěn)或時(shí)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(dāng)作噪聲成份舍棄會(huì)造成有效成分的損失,若單純對(duì)電路的輸出進(jìn)行分析,會(huì)導(dǎo)致故障模糊集較多,分辨率不高。而小波分析所具有的時(shí)頻局部化特性、良好的去噪能力,無需系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)使之成為分析和處理此類信號(hào)的有效工具,也是目前在模擬電路故障診斷領(lǐng)域使用最多的一種特征提取方法,對(duì)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(shù)在尺度上的伸縮和時(shí)域上的頻移來分析信號(hào),適當(dāng)選擇母函數(shù)可使擴(kuò)張函數(shù)具有良好的局部性,非常適合對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行奇異值分析,以區(qū)分信號(hào)的突變與噪聲。小波分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有兩種結(jié)合方式:一是松散型結(jié)合,二是緊致型結(jié)合。
總之,模擬電路故障診斷的主要任務(wù)是在已知網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、輸入激勵(lì)信號(hào)和故障下的響應(yīng)時(shí),求解故障元件的物理位置和參數(shù)。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(xiàn):
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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(xiàn)場(chǎng)編程和配置來改變其內(nèi)部連接和元件參數(shù)從而獲得所需要的電路功能。配合相應(yīng)的開發(fā)工具，其設(shè)計(jì)和使用均可與可編程邏輯器件同樣方便、靈活和快捷。與數(shù)字器件相比，它具有簡(jiǎn)潔、經(jīng)濟(jì)、高速度、低功耗等優(yōu)勢(shì)；而與普通模擬電路相比，它又具有全集成化、適用性強(qiáng)，便于開發(fā)和維護(hù)（升級(jí)）等顯著優(yōu)點(diǎn)，并可作為模擬ASIC開發(fā)的中間媒介和低風(fēng)險(xiǎn)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(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，未來其應(yīng)用將會(huì)日益廣泛。
1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)與基本原理
通用型可編程模擬器件主要包括現(xiàn)場(chǎng)可編程模擬陣列（FPAA）和在系統(tǒng)可編程模擬電路（ispPAC）兩大類。二者的基本結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)（Programmable Interconnection Network）、配置邏輯（接口）、配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(fù)責(zé)對(duì)輸入、輸出信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和偏置、配置邏輯通過串行、并行總線或在系統(tǒng)編程（ISP）方式，接收外部輸入的配置數(shù)據(jù)并存入配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shù)十位至數(shù)千位不等；可編程互連網(wǎng)絡(luò)是多輸入、多輸出的信號(hào)交換網(wǎng)絡(luò)，受配置數(shù)據(jù)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(hào)傳遞；CAB是可編程模擬器件的基本單元，一般由運(yùn)行放大器或跨導(dǎo)放大器配合外圍的可編程電容陣列、電阻陣列、開關(guān)陣列等共同構(gòu)成。各元件取值及相互間連接關(guān)系等均受配置數(shù)據(jù)控制，從而呈現(xiàn)不同的CAB功能組態(tài)和元件參數(shù)組合，以實(shí)現(xiàn)用戶所需的電路功能。CAB的性能及其功能組態(tài)和參數(shù)相合的數(shù)目，是決定可編程模擬器件功能強(qiáng)弱和應(yīng)用范圍的主要因素。
數(shù)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(shù)模混合現(xiàn)場(chǎng)可編程片上系統(tǒng)）為例，它既包含有模擬的可編程單元和互連網(wǎng)絡(luò)，又包含有由邏輯宏單元和開關(guān)矩組成的FPGA，還包含有A/D、D/A轉(zhuǎn)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(tǒng)（SOC）的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)。但其模擬部分的規(guī)模較小，主要面向數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控等特定應(yīng)用。
2 基本開發(fā)流程
可編程模擬器件開發(fā)的主要步驟依次為：（1）電路表達(dá)，即根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，結(jié)合所選用的可編程模擬器件的資源、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，初步確定設(shè)計(jì)方案；（2）分解與綜合，即對(duì)各功能模塊進(jìn)行細(xì)化，并利用開發(fā)工具輸入或調(diào)用宏函數(shù)自動(dòng)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(duì)應(yīng)關(guān)系以及器件內(nèi)部的信號(hào)連接等。可自動(dòng)或手動(dòng)完成；（4）設(shè)計(jì)驗(yàn)證，即對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真（根據(jù)器件模型和輸入信號(hào)等，計(jì)算并顯示電路響應(yīng)），以初步確定當(dāng)前設(shè)計(jì)是否滿足功能和指標(biāo)要求。如果不滿足，應(yīng)返回上一步驟進(jìn)行修改；（5）由開發(fā)工具自動(dòng)生成當(dāng)前設(shè)計(jì)的編程數(shù)據(jù)和文件；（6）器件編程，即將編程數(shù)據(jù)寫入器件內(nèi)部的配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)順。一般通過在線配置方式完成，也可利用通用編程器脫機(jī)編程；（7）電路實(shí)測(cè)，即利用儀器對(duì)配置后的器件及電路進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，詳細(xì)驗(yàn)證其各項(xiàng)功能和指標(biāo)。如果發(fā)現(xiàn)問題，還需返回前有關(guān)步驟加以修改和完善。可編緝模擬器件設(shè)計(jì)的基本流程圖如圖2所示。
該流程主要在微機(jī)上利用開發(fā)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(shí)際因素造成的延誤和返工可基本消除，對(duì)設(shè)計(jì)者的要求也大大降低。
3 主流器件與核心技術(shù)
FAS公司（zetex.com）的TRAC系列現(xiàn)有TRAC020、TRAC020LH（微功耗版本）、ZXF36Lxx(模擬門陣列)等器件，采用電壓運(yùn)行算技術(shù)一一以隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬電壓為信號(hào)參量。其CAB由運(yùn)放配置電阻、電容、多路模擬開關(guān)等組成，可編程互連網(wǎng)也主要利用模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)。利用配置數(shù)據(jù)控制多路模擬開發(fā)即可改變CAB的內(nèi)部連接（即功能組態(tài)）；改變一組按特定規(guī)律取值的同類元件（電阻或電容）之間的連接關(guān)系，獲得所需的等效元件取值；改變各CAB間的信號(hào)傳遞關(guān)系等。
該系列具有接近常規(guī)器件的優(yōu)良特性（如閉環(huán)帶寬可達(dá)12MHz），面向模擬計(jì)算的器件結(jié)構(gòu)和便于向ASIC移植的產(chǎn)品線。其CAB具有加（ADD）、取負(fù)（NEG）、對(duì)數(shù)（LOG）、反對(duì)數(shù)（ANT）、積分（AUX-def）、微分（AUX-int）等運(yùn)行型功能組態(tài)，設(shè)計(jì)得可根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)的數(shù)字描述或信號(hào)流圖，利用開發(fā)工具以繪制框圖方式完成電路設(shè)計(jì)而無須考慮其內(nèi)部細(xì)節(jié)。缺點(diǎn)是可編程能力較強(qiáng)，器件內(nèi)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(tài)或外部連接線（Link）等加以改變；器件內(nèi)電阻等元件均取值固定，須外接RC元件來改變有關(guān)的電路參數(shù)。設(shè)計(jì)過程的自動(dòng)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(dǎo)運(yùn)算技術(shù)，以模擬電流作為主要信號(hào)參量，以跨導(dǎo)運(yùn)算放大器（OTA）取代電壓運(yùn)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(zhuǎn)換器按照配置數(shù)據(jù)改變OTA的偏置電流，從而改變其互導(dǎo)增益gm和電壓放大器增益Au，實(shí)現(xiàn)對(duì)CAB的配置和參數(shù)調(diào)整。由于在IC中易于改變且調(diào)整范圍較大，控制精確較高，因此該類器件的參數(shù)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(dòng)態(tài)范圍、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。
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(gè)增益可配置（±1～±10）的跨導(dǎo)型儀表放大器作為輸入級(jí)，以運(yùn)放、有源反饋元件（跨導(dǎo)放大器）和電容陣列（7個(gè)電容可組合出128種等效電容）等構(gòu)成輸出級(jí)，可實(shí)現(xiàn)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(nèi)部及其與引腳之間的連接關(guān)系；自校準(zhǔn)單元可自動(dòng)測(cè)量輸出失調(diào)并利用專用DAC加以補(bǔ)償；ISP接口支持在系統(tǒng)編程和數(shù)據(jù)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(gòu)成的監(jiān)控系統(tǒng)。
Anadigm公司（anadigm.com）的AN10E40器件則采用開關(guān)電容技術(shù)（同MOTOROLA原產(chǎn)的MPAA020），通過改變電容比或開關(guān)電容的時(shí)鐘頻率來配置電路參數(shù)。其內(nèi)部為典型的陣列式結(jié)構(gòu)（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(shí)鐘資源等組成，信號(hào)帶寬約250kHz。其CAB由運(yùn)放、電子開關(guān)和開關(guān)電容等組成（參見圖5），對(duì)信號(hào)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(shí)鐘資源則為各開關(guān)電容提供所需的時(shí)鐘頻率（共32種分頻比）和相位（每種頻率4種）。這樣，單個(gè)CAB即可實(shí)現(xiàn)整流器、放大器、可編程比較器和一階濾波器等信號(hào)調(diào)理功能；將多個(gè)CAB加以組合、連接，便可實(shí)現(xiàn)高階濾波器、脈寬調(diào)制器等更為復(fù)雜的電路。由于現(xiàn)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(qiáng)而制造成本較低，但信號(hào)帶寬較小，內(nèi)部噪聲較大。
