吳昱城

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，使得電子信息產(chǎn)業(yè)日新月異，發(fā)展前景十分廣闊。電子電路的發(fā)展在電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)程中扮演者重要角色。其中，數(shù)字電路優(yōu)勢明顯，發(fā)展迅速，而模擬電路的發(fā)展則相對(duì)遲緩，但模擬電路是不可或缺的，仍值得繼續(xù)學(xué)習(xí)與發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字電路 模擬電路 發(fā)展

1 前言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速增長，科學(xué)技術(shù)的快速進(jìn)步，電子信息產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展，逐漸滲透到國民經(jīng)濟(jì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，使人們的生活發(fā)生了翻天覆地的變化。電子信息產(chǎn)業(yè)對(duì)軍事領(lǐng)域也有著深遠(yuǎn)的影響，改變了傳統(tǒng)戰(zhàn)爭的作戰(zhàn)模式，在現(xiàn)代國防中發(fā)揮著越來越重要的作用，其在其在國防領(lǐng)域的應(yīng)用也彰顯了一個(gè)國家的綜合國防水平。

作為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，知識(shí)、技術(shù)和資本是電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)得以快速發(fā)展的三個(gè)重要因素，它彰顯了一個(gè)國家或地區(qū)制造業(yè)的整體水平，也是一個(gè)國家或地區(qū)科學(xué)技術(shù)和制造業(yè)綜合實(shí)力的重要標(biāo)志。就我國目前的社會(huì)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀而言，我國正處于傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型時(shí)期。如何平衡新的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定快速發(fā)展，解決目前政府資本過剩、內(nèi)需不足、市場疲軟等宏觀經(jīng)濟(jì)問題是我國目前經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。而加速電子信息產(chǎn)業(yè)的建設(shè)與發(fā)展，對(duì)于促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)變革、改變傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、增加就業(yè)率、提升就業(yè)水平具有重要作用是應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的最好辦法。

電子電路是電子信息產(chǎn)業(yè)的技術(shù)支撐。是電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重要限制因素。電子信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展離不開電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用。生產(chǎn)技術(shù)的提高及加工工藝的改進(jìn)加快了集成電路的更新速度，也為電子信息產(chǎn)業(yè)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(fā)展。根據(jù)其結(jié)構(gòu)、功能的不同，電子電路可以分為模擬電路和數(shù)字電路。

2 模擬電路

模擬電路是一種針對(duì)模擬信號(hào)（幅值隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)）行傳輸或處理的電子電路。它主要是利用電流或電壓對(duì)真實(shí)信號(hào)進(jìn)行模擬，使其等比例的再現(xiàn)。如調(diào)幅/調(diào)頻的收音機(jī)，接收處理無線電廣播信號(hào)，然后經(jīng)過一系列的混頻、放大、解調(diào)等過程，最終完成音樂的播放和新聞等的報(bào)道。模擬電路在生活中的應(yīng)用非常廣泛，如晶體管小信號(hào)放大器，低頻功率放大器，負(fù)反饋放大器，MOS 集成運(yùn)放，諧振放大器，直流穩(wěn)壓電源等。都是用模擬電路制作的。

模擬電路的設(shè)計(jì)過程比較復(fù)雜，其設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于電路參數(shù)的實(shí)現(xiàn)。其設(shè)計(jì)的基本流程主要包括以下幾個(gè)方面：

2.1 系統(tǒng)定義

系統(tǒng)定義是模擬電路設(shè)計(jì)的基本前提。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，模擬電路設(shè)計(jì)工程師需要對(duì)電路系統(tǒng)及子系統(tǒng)做出相應(yīng)的功能定義，并確定面積、功耗等相關(guān)性能的參數(shù)范圍。

2.2 電路設(shè)計(jì)

電路結(jié)構(gòu)的選擇是電路設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。模擬電路設(shè)計(jì)工程師需要根據(jù)模擬電路需要實(shí)現(xiàn)的功能要求、設(shè)計(jì)規(guī)范及相應(yīng)的參數(shù)指標(biāo)選擇合適的電路結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上確定元器件的組合方式等。針對(duì)模擬電路的設(shè)計(jì)，目前暫時(shí)沒有可以利用的比較成熟的設(shè)計(jì)軟件，因此，只能是有工程師根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)手工完成。這在一定程度上增加了模擬電路設(shè)計(jì)的難度，限制了模擬電路的發(fā)展速度。

2.3 電路仿真

電路仿真是模擬電路的設(shè)計(jì)過程中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，是模擬工程師判斷模擬電路是否可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求的一個(gè)重要依據(jù)。工程師根據(jù)仿真結(jié)果，不斷對(duì)電路進(jìn)行修改和調(diào)整，直到模擬電路的仿真結(jié)果可以達(dá)到設(shè)定的指標(biāo)及相應(yīng)的功能要求。常用方法主要有參數(shù)掃描法，直流和交流分析法、蒙特卡羅分析等

2.4 版圖實(shí)現(xiàn)

版圖將電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化生產(chǎn)的重要橋梁。在由前面的設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果確定了模擬電路的結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)后，設(shè)計(jì)工程師對(duì)設(shè)計(jì)的模擬電路進(jìn)行物理幾何性的描述，將其轉(zhuǎn)換成圖形格式，以便于模擬電路后續(xù)的加工與制作。

2.5 物理驗(yàn)證

在物理驗(yàn)證階段，需要對(duì)設(shè)計(jì)的模擬電路進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRC）。設(shè)計(jì)規(guī)則檢查是在給定的設(shè)計(jì)規(guī)則的基礎(chǔ)上對(duì)其最小線寬、孔尺寸、最小圖形間距等限制工藝進(jìn)行檢查，衡量版圖工藝實(shí)現(xiàn)上的可行性。此外，還要對(duì)版圖與電路圖的一致性進(jìn)行檢查（LVS）?？梢岳肔VS工具提取版圖的參數(shù)，將得到的電路圖與原電路設(shè)計(jì)圖進(jìn)行比較，保證版圖與原電路設(shè)計(jì)的一致性。

2.6 寄生參數(shù)提取后仿真

在版圖之前進(jìn)行的電路設(shè)計(jì)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(shù)。將寄生參數(shù)加入版圖后進(jìn)行的電路仿真稱之為“后仿真”，只有當(dāng)后仿真的仿真結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)及系統(tǒng)功能要求，電路的設(shè)計(jì)工作才算完成。寄生參數(shù)對(duì)模擬電路的影響較大，前仿真的仿真結(jié)果滿足的情況下，后仿真結(jié)果卻無法滿足要求。因此，設(shè)計(jì)工程師需要根據(jù)后仿真結(jié)果不斷進(jìn)行晶體管參數(shù)的修改，有時(shí)甚至要進(jìn)行電路結(jié)構(gòu)的調(diào)整，直至后仿真結(jié)果達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

目前，模擬電路設(shè)計(jì)難度高且比較復(fù)雜，使用的EDA工具的功能和系統(tǒng)配套性又相對(duì)落后，且在設(shè)計(jì)過程中需要進(jìn)行頻繁的人工干預(yù)，對(duì)寄生參數(shù)等比較敏感等，這些都在一定程度上限制了模擬電路的發(fā)展，導(dǎo)致模擬電路發(fā)展速度相對(duì)緩慢。

3 數(shù)字電路

數(shù)字電路又稱數(shù)字邏輯電路，顧名思義，即是通過利用數(shù)字信號(hào)完成對(duì)數(shù)字量的運(yùn)算的電路。數(shù)字電路只處理1和0兩種數(shù)字信號(hào)，1表示有，0表示無。數(shù)字電路具有一定的“邏輯思維”能力，能夠進(jìn)行算數(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。它能夠按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的規(guī)則，進(jìn)行相應(yīng)的邏輯推理及判斷。工程師可以利用數(shù)字電路的邏輯功能，設(shè)計(jì)出各式各樣的數(shù)字控制裝置，用來實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制。如智能儀表，數(shù)控裝置和電子數(shù)字計(jì)算機(jī)等。

從60年代開始，由于加工工藝的進(jìn)步，雙極型工藝的出現(xiàn)使得數(shù)字集成器件可以制成小規(guī)模邏輯器件，而后逐漸發(fā)展到中規(guī)模邏輯器件；直到70年代末，微處理器的誕生，使數(shù)字集成電路的性能產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，極大的促進(jìn)了數(shù)字集成電路的發(fā)展進(jìn)程。邏輯門是數(shù)字電路中重要的邏輯單元電路，TTL邏輯門電路出現(xiàn)最早，至今仍是主要的基本邏輯門器件。隨著CMOS工藝的發(fā)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(xiàn)場可編程門陣列FGPA的飛速發(fā)展，使數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展又進(jìn)入了一個(gè)新紀(jì)元。不僅增大了其規(guī)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(shù)字電路的設(shè)計(jì)則相對(duì)簡單。EDA工具對(duì)數(shù)字電路的設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的支持。數(shù)字電路的設(shè)計(jì)基本都是半定制的，設(shè)計(jì)工程師可以依靠相應(yīng)的軟件進(jìn)行其數(shù)字電路的設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)的基本流程主要包括為以下幾個(gè)方面：

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括：體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)模塊的劃分，端口信號(hào)的定義以及整體時(shí)序的設(shè)計(jì)。其中規(guī)模較大的系統(tǒng)設(shè)計(jì)還需要進(jìn)行系統(tǒng)行為的建模。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，需要通過仿真驗(yàn)證系統(tǒng)驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。通常情況下可使用EDA工具進(jìn)行相應(yīng)的系統(tǒng)仿真驗(yàn)證。

3.2 RTL級(jí)設(shè)計(jì)和仿真

對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行RTL描述以及設(shè)計(jì)的仿真，保證設(shè)計(jì)功能邏輯和時(shí)序上的準(zhǔn)確性。

3.3 綜合和門級(jí)仿真

以設(shè)計(jì)要求和實(shí)際工作條件等約束文件為依據(jù)，將RTL級(jí)的描述代碼映射到門級(jí)網(wǎng)表上，其中門級(jí)網(wǎng)表有標(biāo)準(zhǔn)單元組成。并對(duì)綜合出來的電路結(jié)構(gòu)中的延時(shí)信息再次進(jìn)行仿真。

3.4 布局布線

將經(jīng)過綜合和優(yōu)化后的電路設(shè)計(jì)進(jìn)行自動(dòng)布局布線。

3.5 版圖驗(yàn)證

同模擬電路一樣，在布局布線完成以后需要對(duì)其進(jìn)行版圖驗(yàn)證，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢查、電化學(xué)規(guī)則檢查及版圖與電路圖的一致性檢查等。

3.6 寄生參數(shù)提取后仿真

將自動(dòng)布局布線后增加的寄生參數(shù)考慮進(jìn)去以后，對(duì)電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證，觀察其期是否可以正常工作并滿足設(shè)計(jì)要求。

數(shù)字電路的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是二進(jìn)制邏輯代數(shù)，容易實(shí)現(xiàn)，且具有較高的可靠性。電源電壓的波動(dòng)、制作溫度和工藝的偏差對(duì)其影響較小。此外，數(shù)字電路還具有較高的集成度，體積較小以及較低的能耗。對(duì)于數(shù)字電路的設(shè)計(jì)、維修及維護(hù)等都比較靈活方便。隨著集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字邏輯電路的集成度越來越高，隨著集成電路塊規(guī)模的增大，其相應(yīng)的功能也從元件級(jí)逐步上升到系統(tǒng)級(jí)。大大縮小的電路設(shè)計(jì)的難度，

電路的設(shè)計(jì)組成只需采用一些標(biāo)準(zhǔn)的集成電路塊單元連接而成。對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)任意的邏輯功能。數(shù)字電路與數(shù)字電子技術(shù)被廣泛應(yīng)用于電視、雷達(dá)、通信、電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、航天等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域

4 結(jié)論

模擬電路與數(shù)字電路的發(fā)展都經(jīng)歷了由電子管、半導(dǎo)體分立器件到集成電路等幾個(gè)發(fā)展階段。由于EDA等工具的強(qiáng)大支持，數(shù)字電路容易實(shí)現(xiàn)，其數(shù)字電子技術(shù)得到快速發(fā)展。又因其受環(huán)境干擾小，系統(tǒng)可靠性強(qiáng)，集成度高，功能易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)在國民經(jīng)濟(jì)和生活的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，極大的促進(jìn)了電子信息產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活的發(fā)展與普及，對(duì)電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了根本性的變革作用。相對(duì)而言，由于設(shè)計(jì)工作復(fù)雜、難度較高，以及工藝發(fā)展的限制等，模擬電路的發(fā)展則日漸式微，發(fā)展速度遠(yuǎn)落后于數(shù)字電路，甚至被有些人被認(rèn)為是“夕陽產(chǎn)業(yè)”，其地位逐漸會(huì)被數(shù)字電路所取代。

模擬電路作為電子集成電路的基礎(chǔ)，其在集成電路及電子信息技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中所扮演的角色卻是無法被替代的。我們所生活的真實(shí)世界是模擬的，數(shù)字電路是在模擬電路的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，數(shù)字電路的發(fā)展無法獨(dú)立于模擬電路兒單獨(dú)存在，模擬電路仍具有廣闊的發(fā)展前景。模擬電路與數(shù)字電路的關(guān)系如同地基與樓層，只有打下模擬電路這座堅(jiān)實(shí)的地基，數(shù)字電路的大樓才能愈加牢固，接受風(fēng)雨的洗禮而屹立不倒。模擬電路發(fā)展的落后也會(huì)對(duì)數(shù)字電路的發(fā)展產(chǎn)生一定的限制性影響。因此，我們需要在保持?jǐn)?shù)字電路穩(wěn)定快速發(fā)展的同時(shí)，也要兼顧模擬電路的發(fā)展，繼續(xù)模擬電路的發(fā)展與學(xué)習(xí)。數(shù)字電路與模擬電路二者相輔相成，兼顧好二者的穩(wěn)定發(fā)展，才能推動(dòng)電子信息產(chǎn)業(yè)的快速穩(wěn)定發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]寇戈.模擬電路與數(shù)字電路[M].電子工業(yè)出版社，2008.

[2]逄亞清.模擬電路與數(shù)字電路區(qū)分及實(shí)用知識(shí)的探討[J].山東工業(yè)技術(shù)，2013（12）：155.

[3]魯斌.數(shù)?；旌霞呻娐吩O(shè)計(jì)研究[D].安徽，合肥工業(yè)大學(xué)，2006.

作者單位

河北省唐山市曹妃甸區(qū)第一中學(xué) 河北省唐山市 063299