從頭到尾構建混合信號高集成度系統（SOC）的步驟（5）：電路仿真

Dave Ritter：嗨，Tamara博士，請到烤肉架前來。

Tamara Schmitz：很好。烤蔬菜，還有……那是什么……鮭魚？

Dave：在檸檬汁中浸過，檸檬就是那邊的那棵樹上結的，另外還加了我們的秘密調料。再過7分鐘左右就可以吃了。

Tamara博士：太好了。這個時間足夠你繼續討論設計的硅片方面。啤酒在哪兒？

Dave：在那邊的冷卻器中。那么你是想知道我們如何從選擇制造工藝，決定首先設計哪些模塊開始等內容。Tamara博士：是的。公司使用了許多制造工藝。你們從何處入手？

Dave：選擇工藝并不太難。CMOS比雙極性工藝便宜（層數少），只要你不需要過多面積來完成。許多CMOS工藝大多是數字電路設計方面的，但我們有模擬技術的很好元器件。這使CMOS成為順理成章的選擇。

Tamara博士：“順理成章，”嗯？你開玩笑……

Dave：數字電路在越小的工藝中越緊湊，所以你可能認為我們想選擇最小的制造工藝。

Tamara博士：這說得通呀。

Dave：不過請不要忘記成本。90納米、65納米和更小的工藝更昂貴，因為其制造精度高。同時，這些更小的工藝還具有漏電流，這使設計模擬電路非常困難。這使得100多納米范圍

內的工藝更適合該項目。

Tamara博士：所以你在模擬電路質量和減小產品尺寸的能力之間進行了權衡。

Dave：實際上我們是從目標封裝開始，所以我們得到約2毫米×2毫米的最大die尺寸。我們想讓其10%數字化，由此我們能夠估計門電路的數量。如果我們根據我們的樣品工作就能完全建立控制算法，那么我們就得到了一個成功設計。

Tamara博士：你們選擇從哪個模塊開始？擲骰子？扔飛鏢？石頭-剪刀-布？

Dave：都不是。該產品在全均衡時的增益幾乎達70 dB，所以噪聲是關鍵問題。第一個問題是：我們能否建立一個噪聲足夠低的均衡器級（輸入處的第一個均衡）？所以我構建了一個非常簡單的放大器并在仿真器中人為的加入噪聲。

有許多因素需要控制：前端MOSFET的跨導gm（增益）使我知道它們的噪聲有多高，而額定電流Id使我知道晶體管的運行速度有多快。只需要進行幾次快速計算和仿真就能驗證我們能否得到數百兆赫的增益帶寬積和低于我們2nV/Hz噪聲的目標。如果我們達到了這些目標，我們就能獲得至少和樣品一樣的性能。

Tamara博士：好的，那么現在我們有一個均衡器級。接下來呢？

Dave：我們需要控制它。在樣品中，這是通過分立數字電位器和多路復用器的組合來實現的。所以我在硅片中構建等效電路并驗證了性能（串擾、帶寬……等等）。

Tamara博士：這需要多長時間？

Dave：我想噪聲和帶寬的第一次驗證在幾個小時內就能完成。其余的大概要幾個星期。我添加了多個均衡級和多路復用器來選擇它們。在你開發復雜的模塊時有許多細節和驗證。

Tamara博士：比如？

Dave：每個晶體管都與其周圍的晶體管互相影響。需要考慮偏置電壓、偏置電流、負載、匹配和溫度效應。我喜歡把我的系統分成多個模塊，并按照技術規格為每個模塊構建一個等效模型。然后設計每個模塊，我可以使用來自其他模塊的模型進行仿真，以便節省仿真時間。

Tamara博士：所以對于整個均衡器，其余的均衡器級都依次而來。

Dave：大概如此。我知道我們需要一個輸出放大器，所以我們獲得了這方面的一些幫助。輸出放大器的規格易于制定，但在CMOS中是一個需要技巧來構建的模塊。在此之后，我們開始依次增加均衡器級，在每次添加后利用電纜模型進行仿真。我們使均衡功能有效，但還要記錄失真、功率預算和DIE面積預算。

Tamara博士：看似有許多要考慮的事情。

Dave：是，但魔鬼就在細節里。一位老員工有次對我說，（對此種開發來說）“偏執狂才是正確的心理狀態。”

Tamara博士：伍迪艾倫有次說，“偏執狂知道所有事實。”

Dave：說得太對了！

Tamara博士：好了，現在我們有了所有模擬處理級，接下來如何測試整個系統呢？

Dave：在學校里，你只是運行功能仿真測試。而在業內，我們是設計具有制造可行性的電路。制造工藝具有容差。摻雜程序具有范圍，晶體管因之能夠運行得稍快或稍慢一些。我們需要仿真最佳和最差條件，來獲得我們器件的最佳產率。

Tamara博士：我想你還需要考慮溫度。這些組合的圖表看上去可能像這個：

Dave：良好的開端！現在你需要解釋無源元件——如電阻和電容——的容差。你能看到情形的數量會如何激增而使你永遠不能完成設計！

Tamara博士：你還需要做一些事情來減少你需要運行的仿真的數量。或者至少限制參數值對制造容差的依賴性。

Dave：就這樣了。有許多設計技巧可供使用。一種是使用電阻器的比率值而非精確值。兩個電阻器值可以一起增大或減小，所以比率在某種程度是不變的。盡管在所有情況中我們都會使用少量動態余量（過度設計）來確保我們能夠滿足我們的目標要求。

Tamara博士：你的過度設計量達到多少？10%？

Dave：我希望我們進行10%的過度設計。不過通常我們沒有這樣大的余地。我們的2毫米×2毫米原始尺寸目標和功耗技術規格將會限制我們的實現能力。

Tamara博士：你還從未談到靜電放電（ESD）。我知道這可能是一個挑戰。

Dave：實際上我們有ESD方面的專家來幫助我們將合適的電路用在正確的引腳上。這里也有重要的權衡考慮。ESD二極管具有很大的容性且隨電壓而變化，所以在我們應用ESD時我需要重新運行失真仿真。

Tamara博士：測試呢？你在設計中如何幫助進行器件測試？

Dave：對于數字器件，我們有一種稱為‘掃描’的測試，它包括一些特別的測試，例如把所有的觸發器串聯起來。運行掃描測試可保證所有電路鏈中的所有觸發器的有效性。還有一個叫做“覆蓋率”的參數，它讓我們知道我們實際上測試了數字器件的多大部分。該參數最好能達到90%以上。

Tamara博士：模擬測試呢？

Dave：在設計過程中，我們制定了一個測試計劃，該計劃描述了將在生產中如何對每個模塊進行測試。通常，該測試會揭示缺陷且常常導致進入特別測試模式。

Tamara博士：哪種測試模式？

Dave：嗯，這里有一個易于理解的例子：我們需要知道我們的內置振蕩器的運行頻率，所以我們設計一個簡單的基于外部標準的時序脈沖的頻率計數器。基本上，然后我們用一個寄存器來支持該功能，并從另一個寄存器讀回結果。這種模式非常快而干凈，并可節省測試時間。

Tamara博士：還有其他模式嗎？

Dave：有些東西是不能說的，有權利保護。（他說的時候眨了個眼）我餓了。

Tamara博士：很好。來杯啤酒和一大塊那種鮭魚怎么樣？

Dave：好，聽你的！