原创 模拟芯片设计的四重境界

一个老朋友的老文章，呵呵，反复阅读还是能不断发现心得的。

从复旦攻读微电子专业模拟芯片设计方向研究生开始到现在五年工作经验，已经整整八
　　年了，其间聆听过很多国内外专家的指点。最近，应朋友之邀，写一点心得体会和大家
　　共享。
　　
　　我记得本科刚毕业时，由于本人打算研究传感器的，后来阴差阳错进了复旦逸夫楼专用
　　集成电路与系统国家重点实验室做研究生。现在想来这个实验室名字大有深意，只是当
　　时惘然。电路和系统，看上去是两个概念， 两个层次。 我同学有读电子学与信息系统
　　方向研究生的，那时候知道他们是“系统”的， 而我们呢，是做模拟“电路”设计的，
　　自然要偏向电路。而模拟芯片设计初学者对奇思淫巧的电路总是很崇拜，尤其是这个领
　　域的最权威的杂志JSSC （IEEE Journal of solid state circuits）， 以前非常喜欢
　　看， 当时立志看完近二十年的文章，打通奇经八脉，总是憧憬啥时候咱也灌水一篇，
　　那时候国内在此杂志发的文章凤毛麟角， 就是在国外读博士，能够在上面发一篇也属优
　　秀了。
　　
　　读研时，我导师是郑增钰教授，李联老师当时已经退休，逸夫楼邀请李老师每个礼拜过
　　来指导。郑老师治学严谨，女中豪杰。李老师在模拟电路方面属于国内先驱人物，现在
　　在很多公司被聘请为专家或顾问。 李老师在87年写的一本(运算放大器设计);即使现在
　　看来也是经典之作。李老师和郑老师是同班同学，所以很要好，我自然相对于我同学能
　　够幸运地得到李老师的指点。李老师和郑老师给我的培养方案是：先从运算放大器学
　　起。所以我记得我刚开始从小电流源开始设计。那时候感觉设计就是靠仿真调整参数。
　　但是我却永远记住了李老师语重心长的话：运放是基础，运放设计弄好了，其他的也就
　　容易了。当时不大理解，我同学的课题都是AD/DA，锁相环等“高端”的东东，而李老师
　　和郑老师却要我做“原始”的模块，我仅有的在(固体电子学) （国内的垃圾杂志）发过
　　的一篇论文就是轨到轨(rail-to-rail)放大器。 做的过程中很郁闷，非常羡慕我同学的
　　项目，但是感觉李老师和郑老师讲的总有他们道理，所以我就专门看JSSC运放方面的文
　　章，基本上近20多年的全看了。当时以为很懂这个了，后来工作后才发现其实还没懂。
　　所谓懂，是要真正融会贯通，否则塞在脑袋里的知识再多，也是死的。但是运算放大器
　　是模拟电路的基石，只有根基扎实方能枝繁叶茂，两位老师的良苦用心工作以后才明
　　白。总的来说，在复旦，我感触最深的就是郑老师的严谨治学之风和李老师的这句话。
　　
　　硕士毕业，去找工作，当时有几个offer。 我师兄孙立平， 李老师的关门弟子，推荐我
　　去新涛科技，他说里面有个常仲元，鲁汶天主教大学博士，很厉害。我听从师兄建议就
　　去了。新涛当时已经被IDT以8500万美金收购了，成为国内第一家成功的芯片公司。面试
　　我的是公司创始人之一的总经理Howard. C. Yang（杨崇和）。 Howard是Oregon State
　　University 的博士，锁相环专家。面试时他当时要我画了一个两级放大器带Miller补偿
　　的， 我很熟练。他说你面有个零点，我很奇怪，从没听过，云里雾里，后来才知道这个
　　是Howard在国际上首先提出来的， 等效模型中有个电阻，他自己命名为杨氏电阻。 当
　　时出于礼貌，不断点头。不过他们还是很满意，反正就这样进去了。我呢，面试的惟一
　　的遗憾是没见到常仲元， 大概他出差了。
　　
　　进入新涛后，下了决心准备术业有专攻。因为本科和研究生时喜欢物理，数学和哲学，
　　花了些精力在这些上面。工作后就得真刀真枪的干了。每天上班仿真之余和下班后，就
　　狂看英文原版书。第一本就是现在流行的Razavi的那本书。读了三遍。感觉大有收获。
　　那时候在新涛，初生牛犊不怕虎，应该来说，我还是做得很出色的，因此得到常总的赏
　　识，被他评价为公司内最有potential的人。偶尔常总会过来指点一把，别人很羡慕。其
　　实我就记住了常总有次聊天时给我讲的心得， 他大意是说做模拟电路设计有三个境界：
　　第一是会手算，意思是说pensile-to-paper， 电路其实应该手算的，仿真只是证明手算
　　的结果。第二是，算后要思考，把电路变成一个直观的东西。 第三就是创造电路。 我
　　大体上按照这三部曲进行的。Razavi的那本书后面的习题我仔细算了。公司的项目中，
　　我也力图首先以手算为主， 放大器的那些参数，都是首先计算再和仿真结果对比。久而
　　久之，我手计算的能力大大提高，一些小信号分析计算，感觉非常顺手。这里讲一个小
　　插曲，有一次在一个项目中，一个保护回路AC仿真总不稳定， 调来调去，总不行，这儿
　　加电容，那儿加电阻，试了几下都不行，就找常总了。因为这个回路很大，所以感觉是
　　瞎子摸象。常总一过来三下五除二就摆平了， 他仔细看了，然后就导出一个公式，找出
　　了主极点和带宽表达式。通过这件事，我对常总佩服得五体投地， 同时也知道直观的威
　　力。所以后来看书时，都会仔细推导书中的公式，然后再直观思考信号流， 不直观不罢
　　手。一年多下来， 对放大器终于能够透彻理解了，感觉学通了， 通之后发现一通百
　　通。最后总结：放大器有两个难点，一个是频率响应，一个是反馈。其实所谓电路直
　　观，就是用从反馈的角度来思考电路。每次分析了一些书上或者JSSC上的“怪异”电路
　　后，都会感叹：反馈呀，反馈！然后把分析的心得写在paper上面。
　　
　　学通一个领域后再学其他相关领域会有某种“加速”作用。 常总的方式是每次做一个新
　　项目时，让下面人先研究研究。我在离开新涛前，做了一个锁相环。 我以前没做过，然
　　后就把我同学的硕士论文，以及书和很多paper弄来研究，研究了一个半月，常总过来问
　　我：锁相环的3dB带宽弄懂了吧？ 我笑答：早就弄懂了。我强大的运放的频率响应知识
　　用在锁相环上，小菜了。我这时已经去研究高深的相位噪声和jitter了。之后不久，一
　　份30多页的英文研究报告发出来，常总大加赞赏！。 后来在COMMIT时，有个项目是修改
　　一个RF Transceiver芯片， 使之从WCDMA到TD-SCDMA。里面有个基带模拟滤波器。我以
　　前从没接触过滤波器，就花了两个月时间，看了三本英文原版书，第一本有900多页，和
　　N多paper， 一下子对整个滤波器领域，开关电容的，GmC的，Active RC的都懂了。提出
　　修改方案时， 由于我运放根基扎实，看文章时对于滤波器信号流很容易懂，所以很短时
　　间就能一个人提出芯片电路原理分析和修改方案。最后报告写出来（也是我的又一个得
　　意之作），送给TI. TI那边对这边一下子肃然起敬，Conference call时， 他们首先说
　　这份报告是“Great job!”，我英文没听懂，Julian对我夸大拇指，说“他们对你评价
　　很高呢”。后来去Dallas， TI那边对我们很尊敬， 我做报告时，很多人来听。总之，
　　现在知道，凡事情，基础很重要，基础扎实学其他的很容易切入， 并且越学越快。
　　
　　我是02年 11月去的COMMIT，当时面试我的也是我现在公司老板Julian。 Julian问我：
　　你觉得SOC (system on chip)设计的环节在哪儿？ 我说：应该是模拟电路吧，这个比较
　　难一些。Julian说错了，是系统。我当时很不以为然， 觉得模拟电路工程师应该花精力
　　在分析和设计电路上。 Julian后来自己run了现在这公司On-Bright，把我也带来， 同
　　时也从TI拉了两个，有一个是方博士。我呢，给Julian推荐了朱博士。这一两年，我和
　　朱博士对方博士佩服得五体投地。方博士是TI华人里面的顶级高手， 做产品能力超强。
　　On-Bright现在做电源芯片，我和朱博士做了近两年，知道了系统的重要性。芯片设计最
　　终一定要走向系统， 这个是芯片设计的第四重境界。电路如同砖瓦，系统如同大厦。芯
　　片设计工程师一定要从系统角度考虑问题，否则就是只见树木，不见森林。电源芯片
　　中，放大器，比较器都是最最普通的， 其难点在于对系统的透彻理解。在On-Bright，
　　我真正见识了做产品，从定义到设计，再到debug， 芯片测试和系统测试，最后到RTP
　　(release to production)。 Julian把TI的先进产品开发流程和项目管理方式引入On-
　　Bright，我和朱博士算是大开眼界，也知道了做产品的艰辛。
　　
　　产品和学术是两片天地，学术可以天马行空，做出一个样品就OK了。产品开发是一个系
　　统工程，牵涉到方方面面的工作，N多的人一起协作，最终才能使产品成功推向市场。芯
　　片领域，我以前非常崇拜学术界牛人， 现在发现工业界水平还是较学术界领先， 朱博
　　士说他以前在瑞士理工黄秋亭(IEEE的著名Fellow)那儿做过半年研究， 当时很崇拜黄，
　　现在发现方博士水平更高。所以就像(天龙八部)中，一个无名扫地老僧是顶级高手。但
　　无论工业界还是学术界，这四重境界却是共同的， 每个模拟芯片设计者都应该一步一步
　　脚踏实地，逐次跨越这四重境界。