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電路設計漫談

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樓主
ID:128229 發表于 2016-6-27 14:30 | 只看該作者 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
在一個電路設計論壇上陸續寫的一些感想。

做了若干年的電子系統設計。所涉領域有數字通信,數據交換機,模擬電路,芯片設計等等。有些感慨逐漸寫出來灌灌水,博大家一笑。

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第一回:境界層數
傳統的武功都分若干層,好像大多是7-9層吧,呵呵。這電路設計的功力也一樣,印象中有dx分過4-9層。俺這也不免俗,根據自己的經驗把它分成了5層。

第1層:初步入門。做什么都難。大多時間是借鑒前人或能找到的設計。仿制的過程中來理解電路的架構類型。能拿到一個可直接用的電路很興奮。經常看些2-3流雜志上的實際例子。做些筆記什么的。經常參加各種會議講座。設計出來的板子一堆飛線。總是疑惑為啥電路圖或者邏輯設計一樣,怎么出來的性能總比不上原設計。

第2層:做了幾年后有了感覺。了解了電路設計需要遵循的一些實際原則。開始能獨立完成一個系統,即使是新的算法或者協議也能實現。設計一個電路有點隨心所欲。覺得這電路設計也就那么會事,什么東西只要有時間都能做出來。但細節的考慮不周(細節這個詞可能有誤導,其實并不像字面那樣簡單)。做出的東西長期穩定性和可靠性不見得理想。

第3層:覺得做什么都要慎重。再簡單的東西設計好了,成為批量生產的可靠產品都不容易。即使做個分頻器也要分析半天。不管大小project都先仔細做architecturespec,都想事前先做仿真。注重步驟和過程的嚴謹。以一種敬畏的態度對待大大小小的設計項目。
知道了R和D的不同。明白做個項目主要80%的部分用20%的時間就可完成。而余下的20%要花80%的時間。當別人說這個項目簡單花不了多少時間時,也不愿意與其爭論。

第4層
常回過頭來看看以前的教科書。比如電磁學上電容的原理。有了些以前不管上學還是應用時沒有過的領悟。
注重可重復性設計,測試結果跟仿真的比較。積累仿真與實現一致性的經驗。
開始琢磨一些新的協議或者想獨創點什么。

第5層:只是一個工具和過程,用它來賺錢養家。跟去養豬種菜一樣,是謀生或者用來創業的一個手段
開始研究電子管,做點自己喜歡的東西

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第二回:需要仿真嗎,仿真怎么不管用?

早期設計電路時沒有仿真這個概念,尤其是低速數字設計時。并不是這個不重要。感覺到仿真的重要
性是在設計一個3GHz速率的電路時。

大多數情況下,或者初次使用仿真時總是感覺仿真的結果跟最后的測試對不上。尤其在做模擬電路的
仿真時,比如運放等組成的放大電路。這其實不是仿真的問題而是 1)model的準確性 2)對實際電
路的描述。

第一個比較容易理解。一個仿真是否可靠,與使用的model直接相關。你怎么描述電阻?電阻在你眼
里是否就是一個R值?其實電阻是有寄生電感和電容的。電容有lead inductance和shuntresistance
。有做RF的人講如果不是將每個沒用過的電阻電容測試一下,就不敢用它做設計或者用它的標準
model做仿真。

你怎么看待電路圖?電路圖是否代表了所有設計信息?不是的。電路圖只是給你了一個所有集中參數
元件的連接順序。大家知道電路的實質是用電場和磁場描述的。而電場和磁場的相互作用跟攜帶他們
物體(元器件)的空間相對位置有關。也就是這些元器件的擺放位置,方向,和公用的通路(地,電
源)會對電磁場的行為產生影響。所以一個電路圖只是攜帶了有限的設計信息,至少不是全部!
具體來說,每個信號loop的大小和相互作用,在公用通路上的相互耦合,電感等元件產生的磁場對其
他電路的影響,大信號(比如控制的輸出)對小信號(被檢測的弱信號)回路的影響,等等都是應該
考慮的。有時大家在糾纏數模混合設計是否該分地和怎么分,其實你把每個信號都看成有一個loop,
該loop會影響別人,也會被別人影響,分析起來就清晰多了。地和電源符號的使用往往使設計者忽略
的這一因素。

一般做仿真會從電路圖開始編寫仿真的描敘。更有甚者有的人想用自動軟件直接從電路圖得到spice
的網表。其實電路圖并沒有告訴你元器件是怎樣連接的,除了告訴你他們的連接順序外。電路圖上表
示的是一根線,雖然你做仿真時已經考慮到了一個trace可以用傳輸線來描述。但在不同頻率下介電
常數不是個常量,趨膚效應使得高頻下的trace thickness發生了變化。過孔對高頻影響最甚,過孔
的model到現在也沒個精確的數學模型。過孔中non-functional pad產生的寄生電容,你是否想著
model了?via stub呢?記得幾年前公司招一個人對他面試,他說起他的博士論文就是研究過孔的model。
所以仿真不是一個簡單的事情。專業的公司有專門的modeling和仿真的工程師。做仿真不是學會了用
仿真軟件就可以做的。就像比爾蓋茨用basic能寫出MS來一樣。

當你仿真的結果跟最后測試不一致時,可以考慮一下上邊提到的兩個問題。有篇文章說,一個簡單的
放大電路,在一般人眼里是幾個電阻和一個運放器件。在一個有經驗的工程師眼中是一個有若干傳輸
線,寄生參數,干擾源,干擾回路,以及非線性的復雜網絡。當你看到電路圖背后隱含的那些復雜網
絡時,做仿真才能對你有幫助。

另外兩點:
1)仿真不能替你設計電路,它只能驗證你的設計和你期待的結果是否相符
2)仿真不只是驗證工具,它的最終目的是代替大部分實驗臺的作用

通常的設計流程是設計電路,仿真,實現,測試。當你發現測試結果跟仿真不相符時,你可能接
下就修改電路版上的電路,加點電容拉,去掉噪聲了,調整放大倍數拉,使得最后得到你的指標。然
后就去修改電路圖,再制版去了。且慢!這時你可能丟掉了一次非常珍貴的使你的水平提高到另一層
次的機會!

正確的做法是測試結果與仿真不相符時,在確認不是制造和測試引起的之后,a)先根
據實際情況調試你的仿真(可能是模型,可能是對實現的描述)使得仿真跟測試在預計的誤差之內

b)在仿真平臺上調試你的設計,使得達到預期指標的仿真結果 c)根據仿真所做的修改來相應調試實
際電路達到預期的指標。以上3步可能要需要有幾個來回。這樣最后做到仿真和實際測試一直后,你
就積累了完全描述這個設計的仿真知識庫和經驗。下次做類似設計時,大大提高了你的一次設計成功
率。最后的目的是達到在工作站上進行設計和調試,而不是在LAB的實驗臺上。

話是這么說,可有多少人這么做,有多少人相信這么做有價值呢?進度的壓力,懶惰的慣性,認識的
深度。。。。。。所以大俠永遠是少數,呵呵。


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第三回: 數字與模擬,從事哪一行?

數字化是發展的趨勢。從磁帶到CDMP3,從模擬電視到HDTV,模擬通信到數字通信。電路設計也是一樣,越來越多的是數字電路。但大家可能都明白,一是模擬永遠省略不了,因為現實世界的物理量和我們的感知都是模擬量。所以要完整掌握一個系統的設計,模擬數字都需要。第二點:隨之數字化的頻率越來越高,所謂的數字信號也要以模擬電路的設計原則來對待。即使是低頻數字信號,如果它的變化沿很快,所隱含的高頻分量也非常豐富,還是要作為模擬信號來對待。通信協議的第一層都是模擬的技術來實現。

數字設計的第一層次是對系統實現和邏輯的掌握。各種設計方法系統級的如各種總線技術,MCU系統,電源系統,互聯系統,時鐘處理,背板等。芯片級的設計如statemachine,pipeline,FIFO,Queue等。感覺數字通信中主要是對幀和系統同步等的操作。數字交換機主要的是對memory的操作。管理用memory組成各種table,queue,FIFO,buffer等。

第二層次可能是對算法和協議的理解與實現。這時你可能對邏輯設計已經得心應手了。主要的是在一定的cost下實現某個算法或協議。容易忽略的可能是可測試性和可診斷性的設計。

初步進入職場的話,數字比較容易點。懂點數字邏輯,MCU的編程就可找到不少的飯碗機會。

感覺做一個合格的模擬設計工程師需要更多的錘煉。并不是說數字設計容易。數字設計可能最后是復雜性,性能與cost的平衡,功耗,算法協議的有效和可靠性等層次的問題。在具體的邏輯層面和實現層面作為設計工程師要么沒太多再發揮的余地,要么不需要介入太深(上一回說的simulation的因素除外)。而模擬可能一直得與基本層面的問題打交道,比如材料特性,性能的trade-off,電路結構,實現方式,新穎有效的電路形式,布線等等。隨著半導體工藝的不斷進步,對數字設計工程師的影響相對小些。而對模擬設計的影響有時是基本的。到現在你還可以就運放,ADC,PLL等基本器件的實現在IEEE上發表論文或去做博士研究。除了嚴謹的訓練外,經驗的積累在模擬設計中的作用不容忽視。論壇上有幾篇比較好的經驗總結的帖子。在這引用一下。



模擬和數字有時也沒有一個清晰的分界點。ADC有人就用lousy的analog電路,然后通過數字算法提高其精度。delta-sigma的ADC也是利用了over-sampling和DSP的算法來降低噪聲。

如果說非高速(這個點各有理解)數字電路憑經驗可以直接設計電路的話,模擬電路如果不做仿真可能就不是嚴肅的設計。

假如一生都從事電路方面的技術工作,似乎掌握一些模擬的技術比較有價值。年輕的后來者在數字設計方面比較容易上手而達到某個程度,而在模擬領域可能需要侵淫更久的時間。當然,國內的公司對大多人來說技術只是個臺階,做到一定程度要么轉行要么去做管理(官)。沒有一個合理的價值體系,技術的積累和重視人才只是虛假的空談。像IBM,CISCO,INTEL,HP,TEK等公司,他們有跟管理階層相對應的技術進階體系。最后技術職位的地位和利益不亞于對應的管理高位。這樣就擁有了一批喜歡和愿意從事技術的人才,也使得他們有絲毫不遜色的利益保證。

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第四回: 進修有感

電子這行業發展太快,你在大學學的內容大概沒幾年就不合時宜了。更別說不少大學的課程和老師也陳舊得很。工作幾年后,甚至一工作就有去進修的必要

進修有多種方式。1)自己看書啃  2)上培訓班  3)在公司跟老一輩學習,等等。各有利弊。

自己看書可以掌握進度,專攻急需的部分。像當年林總提的學毛語錄那樣:活學活用,急用先學,立竿見影。切忌從頭看到尾,只學不用。個人的體會是對那些馬上用不到的先別花太多時間,大概其了解就行。要把目前需要的研究深刻,并且馬上試驗。不然花了時間不說,過幾年再用時還得從頭學起,因為只看不用沒啥作用。看書一定要找真正有實踐經驗的大俠寫的書。那些只是會寫文章沒做過項目產品的人寫的,最好敬而遠之:一堆書公式數學,什么都談的很深很細,但沒有重點。其實看書不如研究相關公司applicationengineer寫的applicationnote。那些東西的價值和實用性很高。當然又有應用的經驗,又能上升到理論分析的dx們的著作另當別論。

上培訓班,如果是有實踐經驗的人講的話,還是很有價值的。價值在于你可以得到他的經驗,并與之探討。有時幾分鐘的探討和QA比起你自己摸索很久來的有價值。如果做IC之類的設計的話,強烈建議大家考慮在網上上一下伯克利的IC課程。近代EDA和IC設計,該校是圣地。那些老師們和電子技術一起走過來的,他們的講座能使你了解到技術的精髓。該校位于硅谷跟若干大IC公司有很強的互動。他們的好多學生出來開了很多成功的公司。伯克利課程的另一特點是課堂的互動。有好多有工作經驗的工程師們回去深造,你可以像置身課堂一樣隨著那些高手們的QA而更深入了解一些你自己學習看不到的深度和經驗。大多數時候你感興趣或者不明白的疑惑,總有人提問或者老師回問。聽這種課是一享受,呵呵。建議數字IC去聽Rabaey的課。就是寫Digital IntegratedCircuits A Design Perspective這本書的教授 (順便說一下,中文這本書譯為“數字集成電路設計透視”。透視倆字怎么都覺得別捏。感覺perspective應該是“從x出發,面向x”的意思。建議盡量看原版,一是翻譯者的水品有可能損害了原文的風格甚至意義,二者現代技術是用英文寫成的。如果想長期從事這一行,還是應該掌握描述它的語言。就像你要做軟件設計需要掌握C一樣。).模擬的話伯克利有好幾個大家,本人比較喜歡Broderson和Ali的課。他們講課比較清晰有節奏,講話也幽默,不覺枯燥。即使不做IC設計,做板級和系統的設計,研究一下IC的相關知識也很有幫助。比如模擬IC的課程可使你對噪聲,干擾,穩定性,以及器件指標的含義有更深的理解。

跟公司老一輩學習是最直接的了。這點沒啥可說的。只是提一點:當一個設計A也行B也行時,如果前輩們說A好,你覺得自己提的B好。這時別扭著勁非說要B。最好仔細想想A到底有什么好處。設計的目的不是設計本身:是產品,是可制造可重復可檔案化可規范化可系列化可簡化售后穩定性。。。。。。的產品!你的B從設計角度來看沒什么問題,但可能缺了后邊中的某一樣。


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第五回:示波器

測量是電路設計最基本的技術。但不正確的測量儀器選擇和方式,不止是得不到正確的測試結果,關鍵還會給你帶來很大的誤導。

常用的測量儀器莫過示波器了。一個簡單的問題:測量100MHz的正弦信號應該用多大帶寬的示波器?這個問題本身實際上提得就不準確。任何示波器的帶寬都是基于一定誤差來說的。一般示波器的帶寬是指的其3dB帶寬,即最大幅度下降到70%左右的帶寬.所以如果用100MHz帶寬測試100MHz的信號,測量誤差就至少是30%。做個幅度與頻率的簡單衰耗圖,你會發現如果要求3%的精度,測量100MHz信號的帶寬需要大約3x100MHz。一個經驗的說法:為了保持幅度誤差合理,示波器和探頭組合的帶寬應該至少為待測信號帶寬的3到5倍。為了保證幅度誤差小于1%,示波器的帶寬應該至少為信號帶寬的5倍。當然這是用示波器來較為精確的測試信號的幅度來講。如果只是debug,尤其是數字電路的邏輯,則要求就沒那么嚴格了。

怎么樣來對待低頻信號的上升時間?有時大家遇到這樣的問題:信號頻率不高,所以布線就沒怎么講究。結果最后做出來的電路發現,要么串擾大,要么有很大的反射過沖等。這是你就該檢查信號的上升下降時間了。快速的上下降沿有豐富的高頻信號頻率。這是的信號應該當作高速信號處理。一個常用的帶寬算法:帶寬=2.2/(2Pi * tr)=0.35/tr.如果信號的上升沿是1ns,則等效帶寬接近350MHz!精確測量這個上升時間的示波器帶寬至少要3×350MHz。


探頭的使用也要注意。對于高頻(包括有快速變化沿的低頻信號),探頭的接地十分重要。切忌用地線夾子隨意找個接地點。要就近接地。一個簡單的方法是用裸線纏繞在探頭上就近找個地。在電路圖和PCB設計時,不只要考慮測試點,還要有就近的測試接地點。這點往往在設計時容易忽視。對于差分信號,最好用專用的差分探頭。用普通探頭的話,通道間的skew會影響測試結果。當然低頻差分信號應該還好。

做jitter的測量需要有更專門的技術,有時間的話在以后的話題中再聊

普普通通一個示波器,其實具有豐富的功能。靈活應用各種觸發,測量,記憶等功能可以給你帶來事半功倍的效果。多話點時間研究一下會受益很大。IT泡沫破滅后的那幾年,好多關門公司的儀器拍賣。為了做事方便在拍了臺模擬示波器。后來又拍了臺TEKTDS5000系列的數字示波器。可惜后者在做完一個項目后就掛了。電源壞了。拆開了試圖修理一下,一看太復雜也就作罷了。后來又進了臺有不同故障的同類示波器,想把他們替換一下弄出臺好的來。以前TEK的TDS系列可能設計的不太可靠。遇到過幾臺出問題的。現在用液晶顯示的可能可靠性好點了。不管怎樣,一般的的示波器TEK的產品還是最好的。比agilent和其它公司的,不管采樣技術,顯示技術等都高一籌。做高速光通信測試的agilent產品道也還好。

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第六回:IP雜談

IP,就兩個字母,孕育了多少時代風云,創造了多少財富積累,成就了多少英雄豪杰,巨企商號。。。。

暫時風過云淡的今天,IP技術已經深入到了人們生活中的方方面面。其重要性怎么說都不為過

可是,很少人知道IP的來歷。大家可能知道WWW與歐洲粒子物理研究中心的關系,知道早期Internet前身的ARPNET。但真正IP的起源是MIT林肯實驗室。最早交互性計算機資源共享的概念,來自一位心理學家。他對該實驗室所作的人機交互軟件頗有興趣,提出了最早的計算機聯網交互共享資源的概念。但早期從事計算機網絡的先驅,并沒從IP中得到多少財富(也許用$來衡量他們太庸俗了)。當年第一家開發出了網絡路由器的公司,給美國當時的電信壟斷巨頭ATT做演示。ATT第一流的專家們無一例外的給予了該技術以最大的鄙視。認為毫無價值,異想天開。這些專家們判處這家公司死刑的結果是什么?影響了人類早期幾乎所有通信技術的ATT貝爾實驗室在IP上沒有太大的作為(ATM除外)。通信制造業的老大,先前的ATT后來的LU,成為了一家一般的企業,后不得不與Alcatel合并。IP的機會創造了Cisco,Yahoo,Google,。。。。這就是創新的力量。

所以專家,尤其那些以前做出過很大成績的老專家,他們的確切定義應該是“在本次技術革命之前的上一代技術的權威”。他們中的大多數對新技術的掌握,不會比新一代的年輕技術精英更快更有權威。但可惜的是他們大多掌握著話語權,掌握著資源。這不能不說是對技術進步的一種明顯的阻礙。但恰恰正是因為這一點,才給無數的敢于創新的公司以出人頭地的機會。就像在美國cisco之于LU,在中國華為中興之于郵電部的所屬科研院所和企業。當年叱咤風云的后者,還有多少泡沫沉渣泛起?上帝可能最終還是公平的。

已經采用的技術,并不見得是最優的技術。同理新的技術也不見得就有前途。當有專家說其實你的3G沒啥了不起,我的技術比它強多了的時候,先別立馬下結論,尤其對方跟經濟利益糾纏在一起時更是這樣。老毛當年說任何主義理想都有其階級的烙印。此話用到技術上也是如此。當年中國電信的總工論證出小靈通可以平滑過渡到3G時,你應該笑笑就罷了。別當真。專家,不過如此。當年項羽見到秦始皇出游的儀仗時說,“彼可取而代也”。劉邦也說,“大丈夫當如此也。”雖然有項羽自吻烏江,但也有劉邦面南背北。你雖然現在是初出茅廬的學生,但有無限的潛力。那些專家們現在就現在了,但你還有無限的可能。

最終的標準,技術體制是妥協的結果。尤其是企業巨頭們的妥協結果。當你研究學習那些所謂高技術時,也別對他們太崇拜了。那里的字里行間隱藏著很多利益,交易,競爭和妥協。

后來者最喜歡技術革命。在一個成熟的技術市場下,是壟斷者大公司的游戲。只有新技術,新體制,才能創造機會,才能使野心勃勃的投資者和創業者得到成功的機會。看待一項技術,主要應該從它的商機中來看。當年IT泡沫時參加過一次一家著名風投的技術論壇。題目就叫“VC眼中的7層協議”。他們認為當時7層協議中最有商機和投資價值的事1-3層。并把每一層的player,機會,和市場規模逐一分析。這是第一次聽人按價值來分析7層協議!

技術,無論用怎么復雜的公式來計算分析,用怎么深奧的語言來解釋論證,其最終目的只有一個:$

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