【转帖】模拟电路的四重境界

无意中看到这个文章，虽然自己也搞了4 年模电了，但后看完之后发现自己原来根本就没有入门阿！现发上来和大家共享！·············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。

【原创】用TLC2543和TLV5618加P521打造隔离的单片机模拟输入输出系统

做单片机的朋友你可千万先把电源弄好【原创】

说一个我最近获得的教训，老板的一个朋友委托我们给他做一个小型的控制器，要求的工期比较急，没时间做线路板了，所以我们根据他说的要求选了一个我们以前的成型产品做基础，在这个基础上改。这个东西的工作过程很简单，只需要把传感器传上来的数据分别送两块数字表显示，然后根据传感器传上来的数据确定两个出口固态继电器的动作。这里面用到了3个按键，3个指示灯，2个出口固态继电器和485通讯。我们用了ATMEG8做控制芯片，用内部8M RC振荡器做时钟，内部看门狗，程序用C语言写的，我的C语言水平比较差上学的时候没学过，刚用单片机的时候全是用的汇编，今年才边学边用C语言做产品。刚做好程序的时候我都试过了，接上传感器和数字表可以正常的显示数据，并能根据按键执行规定的动作，我认为没问题了就交了差。

同事拿着我做的控制器去操作箱上安装配线，后来调试的时候同事告诉我说装置死机了，我说不能啊，我已经配置了看门狗，正常程序出错是可以复位的。把同事拿回来的装置通电测试果然没有反应了，重新烧写片子还能正常工作。是不是静电搞的鬼？因为我们的装置原来是没有按键的，这次的按键是在操作箱上接3个按钮到装置的CPU管脚上，没有保护措施，现在冬天空气干燥，很容易产生静电。马上改！给3个按钮都加上了光耦隔离，改好了再装到控制箱上测试，没一会的功夫同事又回来了，说又死机了。啊！？这是怎么回事呢？我有点傻了，难道是我的程序有问题？査吧，把程序从头到尾看了几个来回也没看出毛病。把死机的片子擦了，重新烧程序还是能正常工作，这就怪了！难道是操作箱有问题？怎么在我这好好的东西上到操作箱上就死机呢？同事干脆把操作箱从车间运到我的办公室来，让我自己做实验。果然刚烧好的片子上到操作箱上一会功夫就死机了，经过反复的实验发现是和数字表通讯之后死的，更进一步的确认是跟数字表通讯以后修改了控制器的EEPROM以后死的。去掉了控制器的写EEPROM程序就不再死机了，难道是GCC的EEPROM库有问题？先不管，看能正常运行了再说，反正这个功能不重要。重新烧写芯片，装到控制箱上，手动操作没问题！装置开始自动运行，呀!怎么复位了？是没看清吗？再等一会....又复位了！一波未平一波又起，怎么回事？这么个小东西程序不超过2K怎么这么多问题？我不至于这么烂吧？这么个小程序都写不好？还得试找出问题！反复试了几十次发现规律了，只要是自动状态的1号状态再和数字表一通讯就复位，是不是485通讯没加隔离的问题？动手加隔离（这里要说一下我们的软硬件是两个人负责的，我做软件，另一个同事专做硬件），我的同事刚才加了按键的隔离这回又加485的隔离，为了增加隔离电源又在原装置的基础上改了电源。改完了装上测试，还复位！天啊！我同事都不用好眼色看我了！妈呀,我可怎么办啊？从程序上怎么也看不出问题，可恶的M8不支持仿真又看不到C语言程序具体是怎么执行的。没办法只好用汇编写程序吧，这个我熟而且每一步都可控制，肯定不会再出错了，一个白天加一个晚上把程序就写出来了，第二天调试通过，上到操作箱上，天啊！又复位了！不对！一定是硬件有问题，同事说没关系我给你换CPU板，同事又改了一块CPU板给我送来，装上一试，你们猜怎么样？还是不行！别扔白菜，我真完了 /_\ ,呜呜...我心里直哭。

突然我转念一想，不对就不能还是硬件有问题？这回我不吱声了，我另找了一套没改过的硬件，是原来测试用的肯定是好的，我用它试试。嘿嘿！这回没事了，先别着急，我把改过的主板换到这个上面再试，还是没问题。把我那个做硬件的同事揪过来，你看看外面是不是下雪了！说明什么？我冤啊！快赶上窦娥了！她六月下雪，我11月下雪呀！同事二话没说，拿过继电器板对比，发现好的板两个固态继电器输入电阻一样，不好的输入电阻差了几十欧，总是复位的那个电阻小，是不是阻抗太低单片机输出能力不够引起的啊？给固态继电器输入端串上200欧电阻，这个行了。能正常工作了。运行一会看看吧。过了大约半个小时，啊！又复位了！这回我没紧张，肯定是硬件问题，因为我的程序C语言版和汇编版都试过。拿来示波器看看是不是复位脚有干扰啊？没有。看看电源呢？啊？CPU的5V电源在复位的时候是个大低谷，持续大约50毫秒，元凶终于找到了！是这个电源质量不好，当有继电器动作，并且来通讯，电源就挺不住了。同事也没话说了，改造电源吧，给电源变压器增加容量后，再也不复位了。终于圆满结束了。

围着电源的一个小问题，我转了一大圈，把这个教训分享出来提醒大家注意。我这篇文章是参赛文章，麻烦看过的朋友顶我一下啊，谢谢！

浑浊度传感器原理【原创】

【原创】关于protel自动布线我的看法

关于电力载波局域网的设想[化无线为有线]

一、前因

现如今无线通讯十分流行无线电话、无线耳机、无线键盘鼠标、无线网络满天飞，以后可能还有无线显示器、无线音响等等，无线信号传输的介质无外乎超声波。我们都知道超声波是对人体有害的，但是具体有害到什么程度现在还没有医疗案例，也没有具体的统计。但是未来无线的设备多了，人们生活的空间中充满了无线信号，必然会成为污染，由时髦变成灾害。为了能让人们生活到一个清洁的空间，我设想在室内尽量消除无线电波。

二、实现方法

具体实现的方法，就是把需要进行数据交换的设备都直接接在电线上，这样只要能连上电线就可以同时获得电能和数据一举两得。在室内每个需要通讯的设备都有唯一的地址，通讯的频率可以根据分类固定，通讯信号和电源经过变压器隔离，然后用带通滤波器选出有用的信号。为了防止室内信息的泄漏和对电力网的干扰，需要在每家近户开关上加装带阻滤波器，把室内的高频信号拦截下来。

 三、结果

这样好处是，当我们回家或者进入办公室以后，只要关上手机设呼叫转移到座机就可以了，电脑只要能接上电源就可以上网，显示器、音箱、鼠标键盘、打印机等设备完全不必接到电脑主机上了，只要墙上有插排插上电就可以用了，主机后面不再需要大捆的信号线了。无论是卧室、客厅或者厨房只要插上电都可以上网或者控制其它设备，所有的智能家电需要受电脑控制只要接上电源就可以了。

水平有限，想得不够周全请大家补充，但我觉得这是一种发展方向。

[原创]P521光耦做电流互感器的实战应用

今天说一下这个P521我在产品中的应用，在直流系统中+极和-极是不允许接地的，当有一个极接地的时候就是故障了，如果两个极都接地那就把直流电源短路了，呵呵那事就大了！所以当直流系统中有一个极发生接地就应该及时发现及时处理，即使不接地但是阻抗降低到一定数值也需要报警，我今天就要用这个P521做一个简单的直流系统绝缘电阻检测电路。

图中+KM、-KM是直流电源的正负极，他们之间的电压在180～260V之间，Ro是我们要测量的接地电阻，U1是送到CPU AD的模拟电压。当没有发生接地的时候+KM和-KM到地只有100K的电阻，但是地和+ -之间没有其它通路，就不会有电流，只有接入Ro之后才能产生电流Io.

绝缘电阻计算：

[原创]P521光耦做电流互感器的应用

昨天说P521的输入和输出在1～2mA范围内是线性关系的，今天说说怎么用这个1mA.

应用1：测输入电压

当我的电路中R1、R2已知，根据V2我就可以求出V1。

应用2：测输入端电阻

当电路中的V1、V2、R2已知，可以求出R1的阻值。

说出来道理很简单，你想到了吗？没想到的请顶我一下，谢谢！

[原创]P521光耦可以用来做电流互感器

经我们实验发现，P521这种电流型光耦原边的控制电流和副边的被控电流在1～2mA之间是成线性关系的，

Iin = (0.8~1)Iout.利用这个特性我们就可以用P521做1～2mA直流电流隔离测量。可能有很多朋友看了之后会说这么小范围的电流测量能干什么用啊？有同样想法的朋友你先别着急，你顶我一下我明天接着说怎么用这1mA的电流。