使用模拟工具简化电路设计

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我和同事在旅馆酒吧闲聊了一天。之前，我们已经会见了几位客户。我们都在思考着一个问题：我们会见的这些工程师怎么几乎一点都不了解模拟技术呢。我认为，这些应届毕业生设计工程师所掌握的模拟技术知识，与我们毕业时的前辈所了解的知识不同，仅此而已。我的同事却说：“如果他们不知道这些原理，而大学也不教授这些内容，那结果会怎么样呢？这些新毕业的工程师注定只能去找他们的前辈拷贝一份模拟设计原理图吗？”
         
        我同事所指的这些原理并非只是运算放大器电路设计基础等，而是大学课堂上没有深入讲解的一些内容：非理想组件、电路噪声原因、误差预算和误差分析。
       
        在设计周期更短、资源更少、全球竞争更加激烈的情况下，工程师们需要有效利用手边的各种工具，帮助实现更快速的产品设计。在设计过程中，他们需要对所使用的工具充满信心，相信这些工具能够指导他们正确地完成设计工作，因为他们可能并没有相关的设计经验，也可能没有接受过相关培训。
       
        这也就是半导体制造厂商经常会涉足设计工具的原因。例如，TI的SwitcherPro便是一种帮助人们进行开关式电源设计的程序，而FilterPro则是一种有源滤波器设计程序。两者都不是仿真器，而是设计生成工具。缺乏设计经验的工程师利用这些工具，可以帮助他们克服缺少经验的难题，而经验丰富的一些工程师使用这些工具则可以节省大量的时间。
       
        20多年前，这些设计生成工具才开始为人们所用。回想当年，我还是一个“菜鸟”工程师时，我的设计生成相关知识是从教科书 ，Burr-Brown系列模拟手册（现已绝版多年）或者我所推崇的《现代电子电路参考手册》（一本3英寸厚的世界电子出版物电路摘要，有时称作电路“设计手册”）那里了解到的。
       
        模拟领域是如此的广阔，以至于很少有人能够熟悉其所有分支，因此学习前人的电路是必要的，前提是只要你掌握了电路分析的基础知识。
       
        半导体制造厂商也会提供一些参考设计。这些设计已远非基础电路，它们包括了完整的材料清单和印刷电路板(PCB)布局，可能还包含了让整个设计运行所需的固件或者软件。毫无疑问，利用这些参考设计或者设计指导电路，可以让你更快速地开始设计工作。
       
        自20世纪70年代早期以来，SPICE一直都是电路设计人员工具箱中一种强大的工具。特别是对于集成电路的开发更是如此，因为制造样机的成本奇高无比，在转入生产以前对电路的行为进行模拟是电路设计中的一个巨大进步。
       
        它是如此的普遍，以至于大多数电子元器件制造厂商都会提供其器件的SPICE宏模型，以帮助电路板级设计人员在PCB投入制造以前对其电路进行模拟。从SPICE模型发展而来的IBIS模型和软件，可以让PCB设计人员对其PCB设计的信号完整性进行验证。
       
        在这两种情况下，要注意说的是电路“仿真”还是“验证”。这些工具可以帮助你预测你已经设计好的电路运行情况，但它们却无法帮助你设计电路。尽管工程师仍然不得不自己对电路进行设计，但仿真器却可以告诉他们如何设计。
       
        TI提供一种被称作TINA-TI的免费SPICE仿真器。如何最有效地使用这种程序呢，因为使用仿真器的经验并不一致，从专家到新手，各种层次都有。当TINA-TI没有告知他们其电源反向连接运算放大器时，一些工程师会变得无所适从—仿真器会不知道吗？答案是否定的，仿真器不知道那样做是错误的，也不知道那样做会让你的PCB组件冒烟。
       
        SPICE只不过是执行电路分析所需数学运算的一个计算机程序而已，其运算速度通常要比你用铅笔和纸更快。“通常”是因为，SPICE非常擅长于某些事情，如：线性电路，同时有些事情却并不擅长，如：一些现代电源中都会有的开关电路。使用相当长的时间来模拟开关式电源有一个问题：需要对已经编写好的模拟程序进行优化，用以对这些电源电路进行模拟。
       
        其它专用仿真器用于解决RF电路问题。“仿真”涉及的应用极为宽泛，因此一种模拟解决方案可能并非一个完整系统模拟的最佳选择。
        尽管模拟有许多好处，在完成彻底误差分析以前，电路或者系统设计均不完整。这需要考虑组件和环境的所有非理想特性，并确定它们对电路运行的影响情况。我们一般使用电子表格或者手动计算方法来完成这项工作。将分析结果同要求比较，让你相信所设计的电路在所有工作状态和制造条件下均能够满足这些要求；或者，它会告诉你需要尝试使用其它方法。
       
        把所有这些不同工具—设计生成、模拟（可能使用几种不同的模拟引擎）和误差分析—组合到一起成为一种工具，便形成了一个“专家系统”。只需使用电路的基本要求，这种系统便可以构成或者建议一个电路或者系统设计，然后允许对电路进行模拟，并能通过改变电路组件值来对其进行优化。最后，电路误差分析结束以后，便完成了对电路满足各种要求的完整适用性评估。
       
        现在，这种系统开发方法正变成一种现实。在混频信号IC设计领域，大型CAD供应商已经在致力于这方面，以期缩短模拟时间。一些供应商将现有工具或者数学建模系统组合到一起，在更高层次尝试这种设计方法。但是，把这些专家系统带给电路板级和系统级设计人员的，可能会是半导体供应商及其应用工程师们。
       
        德州仪器收购国家半导体公司最令人激动的是，我们终于能够一睹WEBENCH Designer工具套件的真容，它在许多方面都是我所描述的这种专家系统。它可以动态生成特定要求的电路，计算组件值，进行模拟（基于数学模型和SPICE）和优化，并执行误差分析。如前所述，在模拟世界需要学习的东西如此繁多，真谓“学无止境”。
       
        此类工具可能会成为电路板级和系统级设计人员工具箱中的主要工具。“拷贝你父辈的设计原理图”没有什么错，前提是你拥有运用这些原理图或者正确理解其底层设计原理的工具。这些工具应能够指导你如何优化电路，来解决你碰到的问题，并能够让你知道将这些电路投入生产时会出现什么结果—并且要能够足够快地完成这些工作，这样你才能在允许的时限内尝试多种不同的方法。尽管还有路要走，但距离我们的目标已经不远了。