模拟电路设计经验总结

Ber_thaw99

有人说，技术的进展将会让模拟工程师不断被淘汰；但也有人说，优秀且经验丰富的模拟工程师永远都会被需要，而且现在有供不应求的现象。# B& \6 Y# E; a1 n' L' }6 R3 C


在产业界花了几年的时间鼓励理工科系学生锁定软体与数字电子技术后，却有人说「报应」马上要来了──据了解，许多模拟混合讯号设计职缺长期悬置，有些资深工程师甚至没办法退休，因为找不到接班人。
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这在某一方面或许要怪这些年模拟转数字化风潮，造就了这一代工程师只会说程式语言、对电路结构却不熟练；在另一方面，可能是因为系统单晶片（SoC）的问世，IC设计业者很容易就能取得各种功能IP，再加上IC设计工具软体发达，市场对模拟工程师的需求本来就不高。
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! `% j5 z8 p9 J辉煌时代已经过去了?


1 T) O# K' b) o- I& _  l「我很愿意为我所能贡献的领域付出五年甚至更长的时间，但它没有了；」本来在NS（现已并入TI）担任首席模拟设计工程师的Edison Fong，在2009年丢了工作，去一家后来卖给微软（Microsoft）的新创公司待了两年，接着又转任系统酬载（systems payload）工程师：「那是我做过最糟的工作；在我申请提早退休之前，被要求一个星期得工作80个小时。」
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在过去的一年半，Fong在美国加州大学的圣克鲁兹分校（UC Santa Cruz）担任客座顾问，并从一些天线的专利取得收入；他觉得他的遭遇已经比一些朋友好得多，有人甚至不得不完全退出所熟悉的技术领域，或者得离家到遥远的中国等地工作。6 m4 I" Y8 C% s" s


但在此同时，北美的模拟工程师职缺却乏人问津，那些职缺大多需要工程师同时具备数字与模拟技术经验，而且需在元件层级（device level）工作。

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在加拿大国家研究院（National Research Council of Canada）的碳化矽上氮化镓（GaN on SiC）研究专案负责客户关系业务的Brian Kennedy开玩笑表示：「如果具备正确的技术专长，我们的客户甚至愿意聘请80岁的模拟工程师，无论性别。」而且在加拿大工作可享受医疗免费。
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Kennedy的客户来自产业各层面，有跨国公司也有新创公司，都是专精于以先进半导体材料生产客制化晶圆片；他指出，具备模拟技术专长、且在晶圆层级有工作经验的模拟工程师，现在可说拥有镀金身价：「厂商愿意重金聘请那些具备高度特殊技能的人才，但相信我，能具备这类知识技能的工程师通常都得经历一段艰辛的学习过程，基本上就像学黑魔法一样。」1 A, S4 D/ s# J* a7 h% ?2 M
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+ d, z3 V) |0 L" P- E# Y4 l& D0 W. C1 |他表示，一个能胜任元件层级工作的优秀模拟设计工程师，每设计一颗客制化晶片的酬劳可达5，000美元至2.5万美元。不过有晶圆层级工作经验，又具备数字、模拟混讯号技能的工程师，跟只具备模拟设计经验的工程师又不可同日而语。  U% v7 t$ h# ]' y1 y
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Glen Chenier是一位跳槽过各种不同类型公司的模拟工程师，在某一段时间他所具备的离散逻辑设计技能非常抢手：「但现在你找工作会发现，人家要请的都是混 合讯号，而且都是晶片设计。」他说他从未有过元件层级的工作经验：「为大公司工作的时候，通常会被盯得很紧，而且也不会被调动工作地点或职务。」8 a% P) l9 B3 J' o
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Chenier曾经转职过两次，每次都是跟模拟有关的工作，而且做到工作没有为止；他定居在美国西雅图，不想再重头开始一个可能在五年内就炒他鱿鱼的工作。但在他居住的区域，模拟工程师其实并不多。
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在失业了好一段时间之后，Chenier最后去一家维修二手电信设备的公司负责反向工程：「这个工作很棒，因为拥有很强的电路设计背景，我能很容易从别人的设计中找出所有的连结、推导出各功能区块，并重新画出电路图。」唯一的缺点是，这家公司付的薪水只有他当模拟工程师时的一半不到。

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但产业界对于具备混合讯号设计经验的优秀模拟工程师之需求与可提供薪资，是同步持续成长的。在工程与人才招募服务业者Ranstad US负责的嵌入式产业客户的解决方案经理Henry Wintz表示，产业的混合讯号工程师人才需求跟几年前比多了三倍，而且薪资水准大幅跳跃。

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Wintz表示，现在要找到一个模拟/混合讯号工程师所需平均时间，会比找一个嵌入式软体设计师要长得多：「通常在一个嵌入式软体工程师职缺开放的第一天内，我们很快就能收到3~5个适合的应征者履历，但混合讯号工程师职缺往往等上2~3天还看不到一个合格应征者。」
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% H5 Z& }; l* q# Q+ q$ g& p这有一部分原因是合格的模拟/混合讯号工程师人才本来就少，而且这类职缺的技能需求会比嵌入式软体工程师独特得多；Wintz表示：「我个人观察，在45个工程师中往往只有1个人是够资格应征该类职缺的。」; s2 ^2 W9 j, }8 D- C; Z- z
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Wintz表示，混合讯号设计工作的一个挑战是，工程师得有五年以上的工作经验也许才能胜任，而且通常是得跟着资深模拟工程师前辈一对一学习，才能累积丰富的模拟知识经验，能理解电路设计中任何一个微小的差异。

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人才变少了还是雇主的期待变高了？! B3 X( {2 x$ p. `' K, C$ M
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有些工程师认为，模拟工程师人才不仅面临减少的问题，部分雇主对工程师的期待也越来越高，甚至有些不切实际。
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「我的工程师朋友跟我说，他们看到对模拟工程师的征才条件，几乎需要具备所有模拟相关专长；」曾是模拟工程师，目前在Atmel担任创意作家的Paul Rako表示：「然后他们又加上“必须懂VHDL”数字程式语言。什么？这像是两个完全不同的世界；如果你试着要塞满所有这些资讯，你的脑袋会爆炸！」/ q# \! V5 x' p; J

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Ranstad的Wintz 坦承，他有数家客户的模拟工程师职缺已经悬置一年以上：「这让我知道是他们开出的条件太严苛，而且他们要求应征者具备太多技能，基本在这个星球上找不到没有受过特定训练与客户经验就够资格的人。」, ~/ I( k# U1 s$ o' b: w! s6 I
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在凌力尔特（Linear Technology）（现已并入ADI）担任设计工程师的Barry Harvey也认为，那些企业主总是会在招募模拟设计工程师时抱着不切实际的期待：「如果你的公司想打造需要真正罕见技术经验的产品，该怎么做？当然，你是无法在短时间之内就找到一个专家的，而大多数的主管都不能好好规划或等待，因此他们只是直接开始找人或是拟一个不那么完美的条件草稿。」
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2 K5 Y* U3 u0 Q  v; E他指出，他在到Linear之前待过的每一家公司都想做模拟数字转换器（ADC），但没有一家找到过正确的人才：「射频设计也是像那样，除非你能找到一个训练有素的大学毕业生，但问题是，通常具备RF经验的人不是已经被别家公司好好供着，就是退休了；现在很少有公司像Linear这样，有一套连续性的团队接班以及长期性人才养成计划。」
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那到底该怎么办呢？有鉴于优良模拟设计技巧得从工作中学习、师法资深前辈，产业界该如何确保能有稳定的人才供应来源可支援未来所需？7 d# f' ]0 |: B$ K2 Y" `
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很多人相信，在职训练，特别是在模拟技术领域，是确保经验能一代代传承的最佳方式；其附带的好处是能持续进修，特别是在这个技术变化快速的领域，能有助于较资深的员工避免与时代脱节。但员工训练──尤其是针对资深员工──并非每家企业优先重视的项目。! ~0 |* Z4 H, c
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对此Chenier表示，他在模拟技术被弃之若敝屣的时候，几乎一直在该领域工作；他所犯的最大错误就是太专注在模拟设计与针对数字讯号完整性的PCB设计，因为擅长于此所以非常忙碌，都没有时间学习程式语言等新东西。
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8 o& ~9 Y' b3 R# i他指出：「因为没有需要，所以当然没有激励我去学习的动机；我应该要坚持接受至少一点点有关数字FPGA或VHDL的交叉训练，但通常那些领域都会有其他大型团队负责，而模拟工程师只有唯一一个。」
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1 k2 k* d) P* z0 `! d+ |5 @) I产业界没有了模拟人才会怎样？
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有部分模拟工程师相信，那种不好好训练或是留住模拟技术专家的公司，会一直陷入找不到人才的困境或干脆放弃；Harvey表示：「现在仍活跃的一群到了90岁绝对不会再工作了，当你年纪越大技术越专精，但你就也不会想再忍受某些公司运作的方式。」
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如果产业界忽略了培养下一代模拟工程师这个问题，产品的创新可能会遇到障碍；「我们可能会看到大多数是新产品的开发，但不是新技术。」Harvey举例解释，Widlar能隙与可写入式CD能算是创新技术，但后来的Brokaw能隙与可写入式DVD，就只能说是产品的升级。" K7 Y3 F! Z. ]. j$ ?
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* u; w, L7 N$ t8 y8 e模拟电路的设计是工程师们最头疼、但也是最致命的设计部分，尽管目前数字电路、大规模集成电路的发展非常迅猛，但是模拟电路的设计仍是不可避免的，有时也是 数字电路无法取代的，例如 RF射频电路的设计！这里将模拟电路设计中应该注意的问题总结如下，有些纯属经验之谈，还望大家多多补充、多多批评指正！: F1 i/ q/ h7 K( c8 Q
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（1）为了获得具有良好稳定性的反馈电路，通常要求在反馈环外面使用一个小电阻或扼流圈给容性负载提供一个缓冲。
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- f# L: C% v2 t, U0 Q, Q: p（2）积分反馈电路通常需要一个小电阻（约 560 欧）与每个大于 10pF 的积分电容串联。
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（3）在反馈环外不要使用主动电路进行滤波或控制 EMC 的 RF 带宽，而只能使用被动元件（最好为 RC 电路）。仅仅在运放的开环增益比闭环增益大的频率下，积分反馈方法才有效。在更高的频率下，积分电路不能控制频率响应。0 q. S: s  J+ b( Z. s9 j* Q% d8 w


（4）为了获得一个稳定的线性电路，所有连接必须使用被动滤波器或其他抑制方法（如光电隔离）进行保护。
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（5）使用 EMC 滤波器，并且与 IC 相关的滤波器都应该和本地的 0V 参考平面连接。（6）在外部电缆的连接处应该放置输入输出滤波器，任何在没有屏蔽系统内部的导线连接处都需要滤波，因为存在天线效应。另外，在具有数字信号处理或开关模式的变换器的屏蔽系统内部的导线连接处也需要滤波。$ w* Q2 Z1 n! g+ Z
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（7）在模拟 IC 的电源和地参考引脚需要高质量的 RF 去耦，这一点与数字 IC 一样。但是模拟 IC 通常需要低频的电源去耦，因为模拟元件的电源噪声抑制比（PSRR）在高于 1KHz 后增加很少。在每个运放、比较器和数据转换器的模拟电源走线上都应该使用 RC或LC 滤波。电源滤波器的拐角频率应该对器件的 PSRR拐角频率和斜率进行补偿，从而在整个工作频率范围内获得所期望的 PSRR 。/ x9 ~9 U" k# N, H% A5 P. O
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9 Z) A8 ^1 l4 {* d  S$ \（8）对于高速模拟信号，根据其连接长度和通信的最高频率，传输线技术是必需的。即使是低频信号，使用传输线技术也可以改善其抗干扰性，但是没有正确匹配的传输线将会产生天线效应。

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& ]: T5 ]: X* c% `" A0 e( N（9）避免使用高阻抗的输入或输出，它们对于电场是非常敏感的。
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（10）由于大部分的辐射是由共模电压和电流产生的，并且因为大部分环境的电磁干扰都是共模问题产生的，因此在模拟电路中使用平衡的发送和接收（差分模 式）技术将具有很好的 EMC 效果，而且可以减少串扰。平衡电路（差分电路）驱动不会使用 0V 参考系统作为返回电流回路，因此可以避免大的电流环路，从而减少 RF 辐射。
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) J' v* p/ ^, W- Z& ^（11）比较器必须具有滞后（正反馈），以防止因为噪声和干扰而产生的错误的输出变换，也可以防止在断路点产生振荡。不要使用比需要速度更快的比较器（将 dV/dt保持在满足要求的范围内，尽可能低）。( \( _) b: G) ], ^
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' B' t$ R, t* a% A( c（12）有些模拟 IC 本身对射频场特别敏感，因此常常需要使用一个安装在 PCB 上，并且与 PCB 的地平面相连接的小金属屏蔽盒，对这样的模拟元件进行屏蔽。注意，要保证其散热条件