電子電路的發展研究

吳昱城

經濟的發展及科學技術的進步，使得電子信息產業日新月異，發展前景十分廣闊。電子電路的發展在電子信息產業發展進程中扮演者重要角色。其中，數字電路優勢明顯，發展迅速，而模擬電路的發展則相對遲緩，但模擬電路是不可或缺的，仍值得繼續學習與發展。

【關鍵詞】數字電路 模擬電路 發展

1 前言

隨著國民經濟的快速增長，科學技術的快速進步，電子信息產業得到快速發展，逐漸滲透到國民經濟生活的各個領域，使人們的生活發生了翻天覆地的變化。電子信息產業對軍事領域也有著深遠的影響，改變了傳統戰爭的作戰模式，在現代國防中發揮著越來越重要的作用，其在其在國防領域的應用也彰顯了一個國家的綜合國防水平。

作為高新技術產業，知識、技術和資本是電子信息技術產業得以快速發展的三個重要因素，它彰顯了一個國家或地區制造業的整體水平，也是一個國家或地區科學技術和制造業綜合實力的重要標志。就我國目前的社會經濟現狀而言，我國正處于傳統產業結構轉型時期。如何平衡新的產業結構，達到經濟的穩定快速發展，解決目前政府資本過剩、內需不足、市場疲軟等宏觀經濟問題是我國目前經濟社會發展面臨的一個重要挑戰。而加速電子信息產業的建設與發展，對于促進傳統產業變革、改變傳統產業結構、增加就業率、提升就業水平具有重要作用是應對這一挑戰的最好辦法。

電子電路是電子信息產業的技術支撐。是電子信息產業的發展重要限制因素。電子信息產業的快速發展離不開電子科學技術的發展及應用。生產技術的提高及加工工藝的改進加快了集成電路的更新速度，也為電子信息產業注入了蓬勃的朝氣以及更加旺盛的生命力，使其得以快速發展。根據其結構、功能的不同，電子電路可以分為模擬電路和數字電路。

2 模擬電路

模擬電路是一種針對模擬信號（幅值隨時間連續變化的信號）行傳輸或處理的電子電路。它主要是利用電流或電壓對真實信號進行模擬，使其等比例的再現。如調幅/調頻的收音機，接收處理無線電廣播信號，然后經過一系列的混頻、放大、解調等過程，最終完成音樂的播放和新聞等的報道。模擬電路在生活中的應用非常廣泛，如晶體管小信號放大器，低頻功率放大器，負反饋放大器，MOS 集成運放，諧振放大器，直流穩壓電源等。都是用模擬電路制作的。

模擬電路的設計過程比較復雜，其設計的重點在于電路參數的實現。其設計的基本流程主要包括以下幾個方面：

2.1 系統定義

系統定義是模擬電路設計的基本前提。根據設計要求，模擬電路設計工程師需要對電路系統及子系統做出相應的功能定義，并確定面積、功耗等相關性能的參數范圍。

2.2 電路設計

電路結構的選擇是電路設計的重要環節。模擬電路設計工程師需要根據模擬電路需要實現的功能要求、設計規范及相應的參數指標選擇合適的電路結構，并在此基礎上確定元器件的組合方式等。針對模擬電路的設計，目前暫時沒有可以利用的比較成熟的設計軟件，因此，只能是有工程師根據自己的經驗手工完成。這在一定程度上增加了模擬電路設計的難度，限制了模擬電路的發展速度。

2.3 電路仿真

電路仿真是模擬電路的設計過程中必不可少的一個環節，是模擬工程師判斷模擬電路是否可以達到設計要求的一個重要依據。工程師根據仿真結果，不斷對電路進行修改和調整，直到模擬電路的仿真結果可以達到設定的指標及相應的功能要求。常用方法主要有參數掃描法，直流和交流分析法、蒙特卡羅分析等

2.4 版圖實現

版圖將電路設計轉化生產的重要橋梁。在由前面的設計及仿真結果確定了模擬電路的結構及相關參數后，設計工程師對設計的模擬電路進行物理幾何性的描述，將其轉換成圖形格式，以便于模擬電路后續的加工與制作。

2.5 物理驗證

在物理驗證階段，需要對設計的模擬電路進行設計規則檢查（DRC）。設計規則檢查是在給定的設計規則的基礎上對其最小線寬、孔尺寸、最小圖形間距等限制工藝進行檢查，衡量版圖工藝實現上的可行性。此外，還要對版圖與電路圖的一致性進行檢查（LVS）。可以利用LVS工具提取版圖的參數，將得到的電路圖與原電路設計圖進行比較，保證版圖與原電路設計的一致性。

2.6 寄生參數提取后仿真

在版圖之前進行的電路設計的仿真稱之為“前仿真”，“前仿真”都是比較理想的仿真，沒有考慮到連線的電阻、電容等寄生參數。將寄生參數加入版圖后進行的電路仿真稱之為“后仿真”，只有當后仿真的仿真結果達到設計指標及系統功能要求，電路的設計工作才算完成。寄生參數對模擬電路的影響較大，前仿真的仿真結果滿足的情況下，后仿真結果卻無法滿足要求。因此，設計工程師需要根據后仿真結果不斷進行晶體管參數的修改，有時甚至要進行電路結構的調整，直至后仿真結果達到系統設計要求。

目前，模擬電路設計難度高且比較復雜，使用的EDA工具的功能和系統配套性又相對落后，且在設計過程中需要進行頻繁的人工干預，對寄生參數等比較敏感等，這些都在一定程度上限制了模擬電路的發展，導致模擬電路發展速度相對緩慢。

3 數字電路

數字電路又稱數字邏輯電路，顧名思義，即是通過利用數字信號完成對數字量的運算的電路。數字電路只處理1和0兩種數字信號，1表示有，0表示無。數字電路具有一定的“邏輯思維”能力，能夠進行算數運算和邏輯運算。它能夠按照預先設計好的規則，進行相應的邏輯推理及判斷。工程師可以利用數字電路的邏輯功能，設計出各式各樣的數字控制裝置，用來實現對生產過程的自動控制。如智能儀表，數控裝置和電子數字計算機等。

從60年代開始，由于加工工藝的進步，雙極型工藝的出現使得數字集成器件可以制成小規模邏輯器件，而后逐漸發展到中規模邏輯器件；直到70年代末，微處理器的誕生，使數字集成電路的性能產生質的飛躍，極大的促進了數字集成電路的發展進程。邏輯門是數字電路中重要的邏輯單元電路，TTL邏輯門電路出現最早，至今仍是主要的基本邏輯門器件。隨著CMOS工藝的發展，CMOS邏輯器件也逐漸被人們所接受。近年來，可編程邏輯器件PLD，尤其是現場可編程門陣列FGPA的飛速發展，使數字電子技術的發展又進入了一個新紀元。不僅增大了其規模，還使其器件的功能更加完善，使用更加方便靈活。

相比較于模擬電路，數字電路的設計則相對簡單。EDA工具對數字電路的設計提供了強大的支持。數字電路的設計基本都是半定制的，設計工程師可以依靠相應的軟件進行其數字電路的設計。其設計的基本流程主要包括為以下幾個方面：

3.1 系統設計和系統仿真

系統設計的內容包括：體系結構的設計、系統模塊的劃分，端口信號的定義以及整體時序的設計。其中規模較大的系統設計還需要進行系統行為的建模。在進行系統設計后，需要通過仿真驗證系統驗證系統設計的正確性。通常情況下可使用EDA工具進行相應的系統仿真驗證。

3.2 RTL級設計和仿真

對各個模塊進行RTL描述以及設計的仿真，保證設計功能邏輯和時序上的準確性。

3.3 綜合和門級仿真

以設計要求和實際工作條件等約束文件為依據，將RTL級的描述代碼映射到門級網表上，其中門級網表有標準單元組成。并對綜合出來的電路結構中的延時信息再次進行仿真。

3.4 布局布線

將經過綜合和優化后的電路設計進行自動布局布線。

3.5 版圖驗證

同模擬電路一樣，在布局布線完成以后需要對其進行版圖驗證，對其進行設計規則檢查、電化學規則檢查及版圖與電路圖的一致性檢查等。

3.6 寄生參數提取后仿真

將自動布局布線后增加的寄生參數考慮進去以后，對電路進行仿真驗證，觀察其期是否可以正常工作并滿足設計要求。

數字電路的數學基礎是二進制邏輯代數，容易實現，且具有較高的可靠性。電源電壓的波動、制作溫度和工藝的偏差對其影響較小。此外，數字電路還具有較高的集成度，體積較小以及較低的能耗。對于數字電路的設計、維修及維護等都比較靈活方便。隨著集成電路技術的高速發展，數字邏輯電路的集成度越來越高，隨著集成電路塊規模的增大，其相應的功能也從元件級逐步上升到系統級。大大縮小的電路設計的難度，

電路的設計組成只需采用一些標準的集成電路塊單元連接而成。對于非標準的特殊電路還可以使用可編程序邏輯陣列電路，通過編程的方法實現任意的邏輯功能。數字電路與數字電子技術被廣泛應用于電視、雷達、通信、電子計算機、自動控制、航天等科學技術領域

4 結論

模擬電路與數字電路的發展都經歷了由電子管、半導體分立器件到集成電路等幾個發展階段。由于EDA等工具的強大支持，數字電路容易實現，其數字電子技術得到快速發展。又因其受環境干擾小，系統可靠性強，集成度高，功能易實現等優點在國民經濟和生活的各個領域得到廣泛應用。數字電子技術的發展和應用，極大的促進了電子信息產業在國民經濟和社會生活的發展與普及，對電子信息產業的發展起到了根本性的變革作用。相對而言，由于設計工作復雜、難度較高，以及工藝發展的限制等，模擬電路的發展則日漸式微，發展速度遠落后于數字電路，甚至被有些人被認為是“夕陽產業”，其地位逐漸會被數字電路所取代。

模擬電路作為電子集成電路的基礎，其在集成電路及電子信息技術的發展進程中所扮演的角色卻是無法被替代的。我們所生活的真實世界是模擬的，數字電路是在模擬電路的基礎上發展起來的，數字電路的發展無法獨立于模擬電路兒單獨存在，模擬電路仍具有廣闊的發展前景。模擬電路與數字電路的關系如同地基與樓層，只有打下模擬電路這座堅實的地基，數字電路的大樓才能愈加牢固，接受風雨的洗禮而屹立不倒。模擬電路發展的落后也會對數字電路的發展產生一定的限制性影響。因此，我們需要在保持數字電路穩定快速發展的同時，也要兼顧模擬電路的發展，繼續模擬電路的發展與學習。數字電路與模擬電路二者相輔相成，兼顧好二者的穩定發展，才能推動電子信息產業的快速穩定發展。

參考文獻

[1]寇戈.模擬電路與數字電路[M].電子工業出版社，2008.

[2]逄亞清.模擬電路與數字電路區分及實用知識的探討[J].山東工業技術，2013（12）：155.

[3]魯斌.數模混合集成電路設計研究[D].安徽，合肥工業大學，2006.

作者單位

河北省唐山市曹妃甸區第一中學 河北省唐山市 063299