时间：2023-10-13 16:13:50
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇模拟集成电路原理与设计，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
2001年我国新增“集成电路设计与集成系统”本科专业，2003年至2009年，我国在清华大学、北京大学、复旦大学等高校分三批设立了20个大学集成电路人才培养基地，加上原有的“微电子科学与工程”专业，目前，国内已有近百所高校开设了微电子相关专业和实训基地，由此可见，国家对集成电路行业人才培养的高度重视。在新形势下，集成电路相关专业的“重理论轻实践”、“重教授轻自学轻互动”的传统人才培养模式已不再适用。因此，探索新的人才培养方式，改革集成电路设计类课程体系显得尤为重要。传统人才培养模式的“重理论、轻实践”方面，可从课程教学学时安排上略见一斑。例如：某高校“模拟集成电路设计”课程，总学时为80，其中理论为64学时，实验为16学时，理论与实验学时比高达4∶1。由于受学时限制，实验内容很难全面覆盖模拟集成电路的典型结构，且实验所涉及的电路结构、器件尺寸和参数只能由授课教师直接给出，学生在有限的实验学时内仅完成电路的仿真验证工作。由于缺失了根据所学理论动手设计电路结构，计算器件尺寸，以及通过仿真迭代优化设计等环节，使得众多应届毕业生走出校园后普遍不具备直接参与集成电路设计的能力。“重教授、轻自学、轻互动”的传统教学方式也备受诟病。课堂上，授课教师过多地关注知识的传授，忽略了发挥学生主动学习的主观能动性，导致教师教得很累，学生学得无趣。
2集成电路设计类课程体系改革探索和教学模式的改进
2014年“数字集成电路设计”课程被列入我校卓越课程的建设项目，以此为契机，卓越课程建设小组对集成电路设计类课程进行了探索性的“多维一体”的教学改革，运用多元化的教学组织形式，通过合作学习、小组讨论、项目学习、课外实训等方式，营造开放、协作、自主的学习氛围和批判性的学习环境。
2．1新型集成电路设计课程体系探索
由于统一的人才培养方案，造成了学生“学而不精”局面，培养出来的学生很难快速适应企业的需求，往往企业还需追加6～12个月的实训，学生才能逐渐掌握专业技能，适应工作岗位。因此，本卓越课程建设小组试图根据差异化的人才培养目标，探索新型集成电路设计类课程体系，重新规划课程体系，突出课程的差异化设置。集成电路设计类课程的差异化，即根据不同的人才培养目标，开设不同的专业课程。比如，一些班级侧重培养集成电路前端设计的高端人才，其开设的集成电路设计类课程包括数字集成电路设计、集成电路系统与芯片设计、模拟集成电路设计、射频电路基础、硬件描述语言与FPGA设计、集成电路EDA技术、集成电路工艺原理等；另外的几个班级，则侧重于集成电路后端设计的高端人才培养，其开设的集成电路设计类课程包括数字集成电路设计、CMOS模拟集成电路设计、版图设计技术、集成电路工艺原理、集成电路CAD、集成电路封装与集成电路测试等。在多元化的培养模式中，加入实训环节，为期一年，设置在第七、八学期。学生可自由选择，或留在学校参与教师团队的项目进行实训，或进入企业实习，以此来提高学生的专业技能与综合素质。
2．2理论课课堂教学方式的改进
传统的课堂理论教学方式主要“以教为主”，缺少了“以学为主”的互动环节和自主学习环节。通过增加以学生为主导的学习环节，提高学生学习的兴趣和学习效果。改进措施如下：
（1）适当降低精讲学时。精讲学时从以往的占课程总学时的75％～80％，降低为30％～40％，课程的重点和难点由主讲教师精讲，精讲环节重在使学生掌握扎实的理论基础。
（2）增加课堂互动和自学学时。其学时由原来的占理论学时不到5％增至40％～50％。
（3）采用多样化课堂教学手段，包括团队合作学习、课堂小组讨论和自主学习等，激发学生自主学习的兴趣。比如，教师结合当前本专业国内外发展趋势、研究热点和实践应用等，将课程内容凝练成几个专题供学生进行小组讨论，每小组人数控制在3～4人，课堂讨论时间安排不低于课程总学时的30％［3］。专题内容由学生通过自主学习的方式完成，小组成员在查阅大量的文献资料后，撰写报告，在课堂上与师生进行交流。课堂理论教学方式的改进，充分调动了学生的学习热情和积极性，使学生从被动接受变为主动学习，既活跃了课堂气氛，也营造了自主、平等、开放的学习氛围。
2．3课程实验环节的改进
为使学生尽快掌握集成电路设计经验，提高动手实践能力，探索一种内容合适、难度适中的集成电路设计实验教学方法势在必行。本课程建设小组将从以下几个方面对课程实验环节进行改进：
（1）适当提高教学实验课时占课程总学时的比例，使理论和实验学时的比例不高于2∶1。
（2）增加课外实验任务。除实验学时内必须完成的实验外，教师可增设多个备选实验供学生选择。学生可在开放实验室完成相关实验内容，为学生提供更多的自主思考和探索空间。
（3）提升集成电路设计实验室的软、硬件环境。本专业通过申请实验室改造经费，已完成多个相关实验室的软、硬件升级换代。目前，实验室配套完善的EDA辅助电路设计软件，该系列软件均为业界认可且使用率较高的软件。
（4）统筹安排集成电路设计类课程群的教学实验环节，力争使课程群的实验内容覆盖设计全流程。由于集成电路设计类课程多、覆盖面大，且由不同教师进行授课，因此课程实验分散，难以统一。本课程建设小组为了提高学生的动手能力和就业竞争力，全面规划、统筹安排课程群内的所有实验，使学生对集成电路设计的全流程都有所了解。
3工程案例教学法的应用
为提升学生的工程实践经验，我们将工程案例教学法贯穿于整个课程群的理论、实验和作业环节。下面以模拟集成电路中的典型模块多级放大器的设计为例，对该教学方法在课程中的应用进行详细介绍。
3．1精讲环节
运算放大器是模拟系统和混合信号系统中一个完整而又重要的部分，从直流偏置的产生到高速放大或滤波，都离不开不同复杂程度的运算放大器。因此，掌握运算放大器知识是学生毕业后从事模拟集成电路设计的基础。虽然多级运算放大器的电路规模不是很大，但是在设计过程中，需根据性能指标，谨慎挑选运放结构，合理设计器件尺寸。运算放大器的性能指标指导着设计的各个环节和几个比较重要的设计参数，如开环增益、小信号带宽、最大功率、输出电压（流）摆幅、相位裕度、共模抑制比、电源抑制比、转换速率等。由于运算放大器的设计指标多，设计过程相对复杂，因此其工作原理、电路结构和器件尺寸的计算方法等，这部分内容需要由主讲教师精讲，其教学内容可以放在“模拟集成电路设计”课程的理论学时里。
3．2作业环节
课后作业不仅仅是课堂教学的巩固，还应是课程实验的准备环节。为了弥补缺失的学生自主设计环节，我们将电路结构的设计和器件尺寸、相关参数的手工计算过程放在作业环节中完成。这样做既不占用宝贵的实验学时，又提高了学生的分析问题和解决问题的能力。比如两级运算放大器的设计和仿真实验，运放的设计指标为：直流增益＞80dB；单位增益带宽＞50MHz；负载电容为2pF；相位裕度＞60°；共模电平为0．9V（VDD＝1．8V）；差分输出摆幅＞±0．9V；差分压摆率＞100V／μs。在上机实验之前，主讲教师先将该运放的设计指标布置在作业中，学生根据教师指定的设计参数完成两级运放结构选型及器件尺寸、参数的手工计算工作，仿真验证和电路优化工作在实验学时或课外实训环节中完成。
3．3实验环节
在课程实验中，学生使用EDA软件平台将作业中设计好的电路输入并搭建相关仿真环境，进行仿真验证工作。学生根据仿真结果不断优化电路结构和器件尺寸，直至所设计的运算放大器满足所有预设指标。其教学内容可放在“模拟集成电路设计”或“集成电路EDA技术”课程里［4］。
3．4版图设计环节
版图是电路系统和集成电路工艺之间的桥梁，是集成电路设计不可或缺的重要环节。通过集成电路的版图设计，可将立体的电路系统变为一个二维的平面图形，再经过工艺加工还原为基于硅材料的立体结构。两级运算放大器属于模拟集成电路，其版图设计不仅要满足工艺厂商提供的设计规则，还应考虑到模拟集成电路版图设计的准则，如匹配性、抗干扰性以及冗余设计等。其教学内容可放在课程群中“版图设计技术”的实验环节完成。通过理论环节、作业环节以及实验的迭代仿真和版图设计环节，使学生掌握模拟集成电路的前端设计到后端设计流程，以及相关EDA软件的使用，具备了直接参与模拟集成电路设计的能力。
4结语
以集成电路为龙头的信息技术产业是国家战略性新兴产业中的重要基础性和先导性支柱产业。国家高度重视集成电路产业的发展,2000年,国务院颁发了《国务院关于印发鼓励软件产业和集成电路产业发展若干政策的通知》(18号文件),2011年1月28日,国务院了《国务院关于印发进一步鼓励软件产业和集成电路产业发展若干政策的通知》,2011年12月24日,工业和信息化部印发了《集成电路产业“十二五”发展规划》,我国集成电路产业有了突飞猛进的发展。然而,我国的集成电路设计水平还远远落后于产业发展水平。2013年,全国进口产品金额最大的类别是集成电路芯片,超过石油进口。2014年3月5日,国务院总理在两会上的政府工作报告中,首次提到集成电路(芯片)产业,明确指出,要设立新兴产业创业创新平台,在新一代移动通信、集成电路、大数据、先进制造、新能源、新材料等方面赶超先进,引领未来产业发展。2014年6月,国务院颁布《国家集成电路产业发展推进纲要》,加快推进我国集成电路产业发展,10月底1200亿元的国家集成电路投资基金成立。集成电路设计人才是集成电路产业发展的重要保障。2010年,我国芯片设计人员达不到需求的10%,集成电路设计人才的培养已成为当前国内高等院校的一个迫切任务[1]。为满足市场对集成电路设计人才的需求,2001年,教育部开始批准设置“集成电路设计与集成系统”本科专业[2]。
我校2002年开设电子科学与技术本科专业,期间,由于专业调整,暂停招生。2012年,电子科学与技术专业恢复本科招生,主要专业方向为集成电路设计。为提高人才培养质量,提出了集成电路设计专业创新型人才培养模式[3]。本文根据培养模式要求,从课程体系设置、课程内容优化两个方面对集成电路设计方向的专业课程体系进行改革和优化。
一、专业课程体系存在的主要问题
1.不太重视专业基础课的教学。“专业物理”、“固体物理”、“半导体物理”和“晶体管原理”是集成电路设计的专业基础课,为后续更好地学习专业方向课提供理论基础。如果基础不打扎实,将导致学生在学习专业课程时存在较大困难,更甚者将导致其学业荒废。例如,如果没有很好掌握MOS晶体管的结构、工作原理和工作特性,学生在后面学习CMOS模拟放大器和差分运放电路时将会是一头雾水,不可能学得懂。
但国内某些高校将这些课程设置为选修课,开设较少课时量,学生不能全面、深入地学习;有些院校甚至不开设这些课程[4]。比如,我校电子科学与技术专业就没有开设“晶体管原理”这门课程,而是将其内容合并到“模拟集成电路原理与设计”这门课程中去。
2.课程开设顺序不合理。专业基础课、专业方向课和宽口径专业课之间存在环环相扣的关系,前者是后者的基础,后者是前者理论知识的具体应用。并且,在各类专业课的内部也存在这样的关系。如果在前面的知识没学好的基础上,开设后面的课程,将直接导致学生学不懂,严重影响其学习积极性。例如:在某些高校的培养计划中,没有开设“半导体物理”,直接开设“晶体管原理”,造成了学生在学习“晶体管原理”课程时没有“半导体物理”课程的基础,很难进入状态,学习兴趣受到严重影响[5]。具体比如在学习MOS晶体管的工作状态时,如果没有半导体物理中的能带理论,就根本没办法掌握阀值电压的概念,以及阀值电压与哪些因素有关。
3. 课程内容理论性太强,严重打击学生积极性。“专业物理”、“固体物理”、“半导体物理”和“晶体管原理”这些专业基础课程本身理论性就很强,公式推导较多,并且要求学生具有较好的数学基础。而我们有些教师在授课时,过分强调公式推导以及电路各性能参数的推导,而不是侧重于对结构原理、工作机制和工作特性的掌握,使得学生(尤其是数学基础较差的学生)学习起来很吃力,学习的积极性受到极大打击[6]。
二、专业课程体系改革的主要措施
1“。 4+3+2”专业课程体系。形成“4+3+2”专业课程体系模式:“4”是专业基础课“专业物理”、“半导体物理”、“固体物理”和“晶体管原理”;“3”是专业方向课“集成电路原理与设计”、“集成电路工艺”和“集成电路设计CAD”;“2”是宽口径专业课“集成电路应用”、“集成电路封装与测试”,实行主讲教师负责制。依照整体优化和循序渐进的原则,根据学习每门专业课所需掌握的基础知识,环环相扣,合理设置各专业课的开课先后顺序,形成先专业基础课,再专业方向课,然后宽口径专业课程的开设模式。
我校物理与电子科学学院本科生实行信息科学大类培养模式,也就是三个本科专业
大学一年级、二年级统一开设课程,主要开设高等数学、线性代数、力学、热学、电磁学和光学等课程,重在增强学生的数学、物理等基础知识,为各专业后续专业基础课、专业方向课的学习打下很好的理论基础。从大学三年级开始,分专业开设专业课程。为了均衡电子科学与技术专业学生各学期的学习负担,大学三年级第一学期开设“理论物理导论”和“固体物理与半导体物理”两门专业基础课程。其中“固体物理与半导体物理”这门课程是将固体物理知识和半导体物理知识结合在一起,课时量为64学时,由2位教师承担教学任务,其目的是既能让学生掌握后续专业方向课学习所需要的基础知识,又不过分增加学生的负担。大学三年级第二学期开设“电子器件基础”、“集成电路原理与设计”、“集成电路设计CAD”和“微电子工艺学”等专业课程。由于“电子器件基础”是其他三门课程学习的基础,为了保证学习的延续性,拟将“电子器件基础”这门课程的开设时间定为学期的1~12周,而其他3门课程的开课时间从第6周开始,从而可以保证学生在学习专业方向课时具有高的学习效率和大的学习兴趣。另外,“集成电路原理与设计”课程设置96学时,由2位教师承担教学任务。并且,先讲授“CMOS模拟集成电路原理与设计”的内容,课时量为48学时,开设时间为6~17周;再讲授“CMOS数字集成电路原理与设计”的内容,课时量为48学时,开设时间为8~19周。大学四年级第一学期开设“集成电路应用”和“集成电路封装与测试技术”等宽口径专业课程,并设置其为选修课,这样设置的目的在于:对于有意向考研的同学,可以减少学习压力,专心考研;同时,对于要找工作的同学,可以更多了解专业方面知识,为找到好工作提供有力保障。 2.优化专业课程的教学内容。由于我校物理与电子科学学院本科生采用信息科学大类培养模式,专业课程要在大学三年级才能开始开设,时间紧凑。为实现我校集成电路设计人才培养目标,培养紧跟集成电路发展前沿、具有较强实用性和创新性的集成电路设计人才,需要对集成电路设计方向专业课程的教学内容进行优化。其学习重点应该是掌握基础的电路结构、电路工作特性和电路分析基本方法等,而不是纠结于电路各性能参数的推导。
在“固体物理与半导体物理”和“晶体管原理”等专业基础课程教学中,要尽量避免冗长的公式及烦琐的推导,侧重于对基本原理及特性的物理意义的学习,以免削弱学生的学习兴趣。MOS器件是目前集成电路设计的基础,因此,在“晶体管原理”中应当详细讲授MOS器件的结构、工作原理和特性,而双极型器件可以稍微弱化些。
对于专业方向课程,教师不但要讲授集成电路设计方面的知识,也要侧重于集成电路设计工具的使用,以及基本的集成电路版图知识、集成电路工艺流程,尤其是CMOS工艺等相关内容的教学。实验实践教学是培养学生的知识应用能力、实际动手能力、创新能力和社会适应能力的重要环节。因此,在专业方向课程中要增加实验教学的课时量。例如,在“CMOS模拟集成电路原理与设计”课程中,总课时量为48学时不变,理论课由原来的38学时减少至36学时,实验教学由原来的10学时增加至12个学时。36学时的理论课包含了单级运算放大器、差分运算放大器、无源/有源电流镜、基准电压源电路、开关电路等多种电路结构。12个学时的实验教学中2学时作为EDA工具学习,留给学生10个学时独自进行电路设计。从而保证学生更好地理解理论课所学知识,融会贯通,有效地促进教学效果,激发学生的学习兴趣。
关键词：集成电路设计；版图；CMOS
作者简介：毛剑波（1970-），男，江苏句容人，合肥工业大学电子科学与应用物理学院，副教授；汪涛（1981-），男，河南商城人，合肥工业大学电子科学与应用物理学院，讲师。（安徽?合肥?230009）
基金项目：本文系安徽省高校教研项目（项目编号：20100115）、省级特色专业项目（项目编号：20100062）的研究成果。
中图分类号：G642?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）23-0052-02
集成电路（Integrated Circuit）产业是典型的知识密集型、技术密集型、资本密集和人才密集型的高科技产业，是关系国民经济和社会发展全局的基础性、先导性和战略性产业，是新一代信息技术产业发展的核心和关键，对其他产业的发展具有巨大的支撑作用。经过30多年的发展，我国集成电路产业已初步形成了设计、芯片制造和封测三业并举的发展格局，产业链基本形成。但与国际先进水平相比，我国集成电路产业还存在发展基础较为薄弱、企业科技创新和自我发展能力不强、应用开发水平急待提高、产业链有待完善等问题。在集成电路产业中，集成电路设计是整个产业的龙头和灵魂。而我国集成电路设计产业的发展远滞后于计算机与通信产业，集成电路设计人才严重匮乏，已成为制约行业发展的瓶颈。因此，培养大量高水平的集成电路设计人才，是当前集成电路产业发展中一个亟待解决的问题，也是高校微电子等相关专业改革和发展的机遇和挑战。[1-4]
一、集成电路版图设计软件平台
为了满足新形势下集成电路人才培养和科学研究的需要，合肥工业大学（以下简称“我校”）从2005年起借助于大学计划，和美国Mentor Graphics公司、Xilinx公司、Altera公司、华大电子等公司合作建立了EDA实验室，配备了ModelSim、IC Station、Calibre、Xilinx ISE、Quartus II、九天Zeni设计系统等EDA软件。我校相继开设了与集成电路设计密切相关的本科课程，如集成电路设计基础、模拟集成电路设计、集成电路版图设计与验证、超大规模集成电路设计、ASIC设计方法、硬件描述语言等。同时对课程体系进行了修订，注意相关课程之间相互衔接，关键内容不遗漏，突出集成电路设计能力的培养，通过对课程内容的精选、重组和充实，结合实验教学环节的开展，构成了系统的集成电路设计教学过程。[5，6]
集成电路设计从实现方法上可以分为三种：全定制（full custom）、半定制（Semi-custom）和基于FPGA/CPLD可编程器件设计。全定制集成电路设计，特别是其后端的版图设计，涵盖了微电子学、电路理论、计算机图形学等诸多学科的基础理论，这是微电子学专业的办学重要特色和人才培养重点方向，目的是给本科专业学生打下坚实的设计理论基础。
在集成电路版图设计的教学中，采用的是中电华大电子设计公司设计开发的九天EDA软件系统（Zeni EDA System），这是中国唯一的具有自主知识产权的EDA工具软件。该软件与国际上流行的EDA系统兼容，支持百万门级的集成电路设计规模，可进行国际通用的标准数据格式转换，它的某些功能如版图编辑、验证等已经与国际产品相当甚至更优，已经在商业化的集成电路设计公司以及东南大学等国内二十多所高校中得到了应用，特别是在模拟和高速集成电路的设计中发挥了强大的功能，并成功开发出了许多实用的集成电路芯片。
九天EDA软件系统包括ZeniDM（Design Management）设计管理器，ZeniSE（Schematic Editor）原理图编辑器，ZeniPDT（physical design tool）版图编辑工具，ZeniVERI（Physical Design Verification Tools）版图验证工具，ZeniHDRC（Hierarchical Design Rules Check）层次版图设计规则检查工具，ZeniPE（Parasitic Parameter Extraction）寄生参数提取工具，ZeniSI（Signal Integrity）信号完整性分析工具等几个主要模块，实现了从集成电路电路原理图到版图的整个设计流程。
二、集成电路版图设计的教学目标
根据培养目标结合九天EDA软件的功能特点，在本科生三年级下半学期开设了为期一周的以九天EDA软件为工具的集成电路版图设计课程。
我当年就是怀着对集成电路未来的美好憧憬，幻想着IC从业者西装革履喝咖啡的小资生活。再加上那时开设该专业的还有清华、北大等“985工程”院校。于是我报考了这个前途无量的集成电路设计与集成系统（下简称集电）专业。
IC课堂知多少
前面提到了IC从业者，那IC究竟是什么呢？IC是半导体元件产品的统称。那学这个有什么用呢？比方说自称国产发烧级的小米手机，你知道它用的四核CPU是什么架构？28nm工艺又是什么工艺呢？更省电的电源管理芯片又是什么逻辑构造呢？这些在选择了集电专业后，你都会一一了解到。在不久的将来，也许你设计的芯片还会在流水线上量产呢。
既然这个专业那么有用，那它是学什么的呢？首先，要做的就是电路设计，根据市场的需求依据电路功能设计出电路；接下来就是前期电路功能的仿真（就是将电路原理图用专业软件模拟出电路所实现的功能，主要是为了节省研发经费和研发周期），检测其是否能达到所要的参数需求；再次，用专业的软件将电路版图画出来；最后，将画出来的版图进行后期仿真，与前期的仿真对比，看是否需要做出修改。若符合要求就生成版图文件交给晶圆厂进行量产，最后到封装测试厂完成芯片的最后一道工艺。
如今，集成电路设计与集成系统专业已走过了9年，它变得越来越适应就业市场的需求。目前该专业分为三个方向。第一个方向是设计。这个方向又分两类，数字集成电路设计是偏软件类；而模拟集成电路设计是偏硬件类。有设计就要有生产，该专业的第二个方向就是生产工艺。IC工艺能力决定了芯片的性能、功耗、散热等诸多因素。而第三个方向是集成电路的封装与测试。好的封装才能够使芯片发挥正常的功能，并保证其具有高稳定性和可靠性。而芯片是否达到预期的研发目标，则需要更多的测试才能确定。
集电专业开设的课程较多，光专业基础课就要分硬件和软件，加上计算机应用技术、模拟电路与数字电路、电路分析基础、信号与系统、集成电路应用实验、现代工程设计制图、微机原理与应用、固体电子学、电磁场与电磁波这些专业课，你会发现你的大学四年会过得格外充实。不过你放心，由于实验课很多，学习并不会觉得枯燥。
就拿集电专业的核心课程——集成电路工艺课来说吧。这门课教授我们如何把还只是一个概念的集成电路芯片从有到无的“变”出来。喜欢玩手机的同学一定听说过现在市面上最先进的高通的四核CPU吧，它的电路构成需要用到上百万个我们所熟知的晶体管、电阻、电容等元器件。可是我们的手机只有那么小，上百万个元器件怎么集中在那么小的一个芯片上呢？这就需要运用这门课所学的工艺技术，将这些元件制作在一小块硅片、玻璃或陶瓷衬底上，再用适当的工艺进行互连，然后封装在一个管壳内，使整个电路的体积大大缩小，引出线和焊接点的数目也大为减少。而这其中的奥妙，就需要你带着一份好奇心，步入大学的殿堂用心学习了！
前途宽广，钱途无量
目前，很多欧美IC巨头企业都在中国设有工厂或者研发机构，比如AMD、飞思卡尔、德州仪器、意法半导体、英特尔等。本土的IC公司也如雨后春笋般层出不穷，越来越多的海归人才带着国外的尖端技术和项目基金回国创业。这些电子厂都是离不开IC设计人才的。
2006年考研结束后，我只身南下，去上海找工作。在火车上，我接到了德州仪器的电话面试，可惜最后因为英语口语不过关被淘汰了，这也说明这个专业对于英语应用能力的要求还是比较高的。不过之后的半个月时间，各种面试电话就成了我幸福的烦恼，对于只是一名应届本科毕业生的我，有的公司甚至开出了4500元月薪的条件，这是当时很多毕业生想都不敢想的，更何况一年还发16个月薪水！由此可见，对于集电专业的毕业生，只要你做了充分的准备，就会有成百上千的大门向你敞开。选择做IC人，你将“钱途”无量！
集电专业的毕业生有较强的工作适应能力，就业范围宽，可从事集成电路设计与制造、嵌入式系统、计算机控制技术、通信、消费类电子等信息技术领域的研究、开发和教学工作。
选“山”拜师很重要
关键词：微弱信号；DSP；仪用放大器；陷波电路
引言：
微电信号检测技术是一门新兴的技术学科，是利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的原理和规律，研究被测信号的特点与相关性，检测被噪声背景淹没的微弱信号。能在噪声背景中检测信号的微弱信号检测仪器，为现代科学技术和工农业生产提供了强有力的测试手段。应用范围遍及几乎所有的科学领域，已成为现代科技必备的常用仪器。国外很多大学和公司都在从事不同领域的微信号检测的研究和相关芯片的研发工作。且随着仿生智能学的发展，是人们日益认识到若想更加深入的了解生物体内部结构，归根到底就是对人体各种微电信号的采集和处理及分析，所以研究微电信号的采集和处理具有很深远的意义。本文设计了一种微电信号采集和处理系统，通过电路的设计实现了对微弱电信号采集。
一．系统原理介绍
如图所示的是系统的整体设计框图，整个系统由三部分组成：前置仪用放大电路[1]、中间级处理电路、信号采集识别电路。由传感器传来的微弱信号经由前置仪用放大电路放大后经由中间级处理电路的滤波、增益调节及陷波后调制成复合信号采集识别电路可采集及识别的信号，将模拟信号转变为数字信号输入到DSP数字控制电路后序处理。
图 1系统原理框图
二、主要功能模块实现电路
2.1前置仪用放大电路
前置放大电路主要考虑噪声、输入阻抗和共模抑制比等的影响。电路如图2所示，包括输入缓冲、高频滤波和仪用放大电路三部分。前置放大电路的最前级直接采用了电压跟随器的设计，此种设计在理论上输入阻抗无穷大，有效的将信号输入源与电路系统隔离，去除了信号源内阻高且不稳定的影响。仪用放大器因为其经典的三运放结构而具有较高的输入阻抗和共模抑制比，并且只需外接一个电阻即可设定增益，在生物信号处理领域被广泛地应用。本文选用的AD公司的AD620。
图 2 前置放大电路
2.2中间级处理电路
中间级处理电路分为带通选频网络[2]、二级放大电路、50Hz陷波器[3]和增益调节电路[4]等。带通选频网络由RC无源网络组成，简单可靠，通带的最大范围设定为0.05kHz～10kHz（在本文设计中是对以上频率做的通带范围，若信号源信号超出此范围改变滤波电路的具体器件参数可改变通带范围）。根据不同信号的差异，可以对信号的放大倍数进行调整，以适合后续数字控制电路对数据的采集的要求。在图3-图6分别给出以上四部分的电路设计原理图。
2.3信号采集电路
经前述两部分电路后，微电信号已被放大，根据所采用的数字采集电路调整放大电路中的增益可将信号放大到适合采集的幅值范围内。本系统采用的是ti公司的TMS320VC5402[5]芯片作为主控芯片，以MAX1198[6]作为采样芯片。由于MAX1198最大可到100MHz的采样率，可以采集高频带信号。DSP芯片与MAX1198的接口图如图7所示。
图7 DSP与MAX1198接口图
三、实验数据
为验证系统电路，在电路输入端加入了多种频率的微电信号进行了实验。下图将频率为1KHz、幅值1.63mv经衰减20dB后的三种信号：方波、三角波、正弦，信号经过前置放大电路放大，由滤波和二级放大电路进行二次放大其波形如图8所示（数码相机所拍摄的示波器上的波形），输入到DSP数字系统的输入端，由A/D转换变为数字信号，最后存储到DSP 中，经CCS软件拟合可得如图9所示图形。其他频率也做了以上实验，本文不在此逐一列出。
四、结论
由实验的结果证明本系统设计可以实现对微弱电信号的放大采集等功能，并具有较好的滤波、去噪等特点，为微电信号的采集和处理提供了一种实用方便的有效方法。
参考文献
[1]中国集成电路大——集成稳压器与非线性模拟集成电路[M]，国防工业出版社，1989
[2]（美）D.E.约翰逊、J.L.希尔伯恩著，潘学明译，有源滤波器的快速实用设计，人民出版社，1980.6:9-12
[3]任洪林，陈名，消除电网工频信号干扰的陷波电路设计，佳木斯大学学报，2007,5-6
[4]稻田保，模拟技术应用技巧101例，关静、胡圣尧译，科学出版社，2006
关键词：模拟电子技术；应用型本科；模块化教材；自主学习
作者简介：李旭琼（1973-），女，广西南宁人，桂林电子科技大学信息与通信学院，副教授；段吉海（1964-），男，广西桂林人，桂林电子科技大学信息与通信学院，教授。（广西 桂林 541004）
基金项目：本文系中国电子教育学会“十二·五”高等教育科学研究课题（课题编号：ZDJ11202）、桂林电子科技大学微电子专业主干课程教学团队基金（项目编号：ZJT1021A）的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）02-0131-02
应用型本科人才所具有的重要特征之一就是具有较强的实践动手能力，能够创造性地运用专业知识和技能解决实际问题。与普通本科教育相比，应用型本科教育更突出实际应用能力与工程素质的培养。
模拟电子技术课程是电力与电子信息类应用型本科课程体系的主干专业基础课程，由于该课程的实践性很强，所以对培养学生的工程意识、实践能力和创新能力起着举足轻重的作用。目前可供选择的模拟电子技术教材有近千种，而真正适宜于应用型本科教学的教材却非常匮乏。大部分的教材秉承传统的结构形式，存在内容相对陈旧、偏重理论、应用不足等缺点，不能很好地满足应用型本科的教育要求。因此，研究和建设适应于应用型本科人才培养目标的模拟电子技术教材显得尤为重要。
一、课程模块化教学内容体系的构建
传统的模拟电子技术教学内容一般是按章节进行编排，考核方式大多是由期末考试来决定学生的成绩。由于该课程的内容很多，学生往往会因为大量的概念、器件和方法，半途生出厌学心理，学习效果不佳。如果把课程内容划分为若干相对独立的模块，并将理论与实践有机融合，分段学习分段考核，可以帮助学生“化整为零”、“逐个击破”，从而改善教学效果。
根据课程的特点及内在联系，除“课程导学”外，笔者将教学内容划分为以下五大模块：常用半导体器件、基本放大电路及其分析设计方法、放大电路的频率响应与负反馈技术、通用集成运放及其应用以及实用模拟电子系统。
“课程导学”部分的作用是让学生建立电子系统的概念，了解模拟电子技术课程的教学要求、课程特点、学习方法、现代电子电路的设计方法以及常用EDA仿真软件，对学生的课程学习起到良好的导向作用。
模块一：常用半导体器件。介绍模拟集成电路中常用的半导体二极管、稳压管、双极型晶体管、场效应管和晶闸管。对于应用型本科人才的培养，从应用的角度考虑，重点介绍器件的外特性、主要参数和电路模型，对于器件本身的内部物理机制不做过于深入的探讨。
模块二：基本放大电路及其分析设计方法。本模块涉及构成复杂模拟集成电路的各种基本电路，包括双极型晶体管组成的共射、共集、共基单管放大电路；场效应管组成的共源、共漏、共栅单管放大电路；恒流源电路、差分放大电路和互补推挽功率放大电路。重点介绍基本放大电路的构成原则、工作原理、主要性能指标及其工程估算方法，多级放大电路的识图以及指标估算方法，单管放大电路的设计方法和设计实例，后两者突出了实践与应用。
模块三：放大电路的频率响应与负反馈技术。本模块包括放大电路频率响应的基本概念和频率响应的基本分析方法，反馈的概念以及负反馈技术在放大电路中的应用，负反馈放大电路的分析和设计方法，负反馈放大电路的稳定性。
模块四：通用集成运放及其应用。以应用较广的典型通用集成运放为例，介绍其电路结构、参数和使用方法，阐述集成运放在信号运算、信号处理和波形转换等方面应用电路的分析与设计方法。
模块五：实用模拟电子系统。该模块作为知识的拓展部分，介绍常用的模拟电路综合应用系统及其设计，包括直流电源、锁相环、滤波器、A/D和D/A转换器等。
二、突出集成与应用调整教材内容
现代电子技术发展非常迅速，新工艺、新器件和设计软件不断推陈出新。与之密切相关的模拟电子技术教材需要调整和更新传统教材的内容，以保证教学内容的先进性和实用性。
1.扩充场效应管电路的内容和篇幅
目前，金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）已经取代双极型晶体管（BJT）成为现代半导体集成电路的主流。为适应这一发展趋势，需要扩充场效应管电路的内容和篇幅，适当删减BJT电路的内容，增加由MOSFET组成的电流源电路、有源负载放大电路、集成运算放大电路、功率放大电路等，并在教学实施过程中侧重MOSFET电路的分析与设计。
2.增加集成器件的比重
与分立元件电路相比，集成器件优点十分突出，实际应用也主要是模拟集成器件，如集成运放、集成功放、集成三端稳压器、锁相环等。因此，可以在教材中增加常用模拟集成器件的芯片介绍、使用方法、参数测试和典型应用电路，并且在频率响应与负反馈技术模块中重点以集成运放为研究对象，分析其频率响应和负反馈技术的应用。
3.加强电路设计的内容
现行的模拟电子技术教材偏重电路的分析，较少涉及电路的设计，课后习题也基本上没有设计类的题目。相对电路的分析而言，电路的设计需要考虑更多工程因素（诸如可行性、可靠性、成本、功耗等）。与实际更加贴近有利于培养学生的实际应用能力、工程意识和创新意识，为此，笔者结合实用的家电产品、测控系统和通信系统，在教材增加一些测量放大器、音频放大器、视频放大器、滤波器、直流电源等电路的设计实例；在课后习题中增加适量的设计类题目，同时删去一些重复较多、应用性不强的分析类题目。
三、革新教材编写模式，设计自主学习型教材
长期以来，高校教材基本上是以教师为核心、以学科知识体系建构为意图进行规划编写。这种编写模式可以系统性地呈现课程的知识体系，方便教师进行教学，但是却忽视了学生的主体地位，不利于学生自主获取知识和知识体系的构建。笔者处在学生的角度考虑问题，参考国外同类优秀教材，尝试在教材的编写模式和呈现方式上做以下改进：
第一，以学生为主体，强调“学习者取向”。从学生的角度考虑他们有什么需求、对什么感兴趣、学习中可能遇到哪些困难、怎样利用他们已有的知识经验来解决问题等等。以此为基础来组织编写教学内容，通过“提出问题——引发思索——分析问题——解决问题”的方式有效呈现教材内容，激发学生的兴趣，引导其积极思考，从而促进其知识的建构。
第二，把教师的指导以及教学方法适当融入教材内容中，充分体现教师的指导功能。教材增加“课程导学”部分（其中包括课程教学大纲），教材的每个模块都有教学要求和学习方法建议，设置适量的讨论题，在例题中增加解题思路、方法提示和归纳总结等，指导和帮助学生有效地理解和吸收教材内容。
第三，增加教材的可读性，突出可自学性。为方便学生自主学习，教材结构应该清晰明了，语言表述通俗易懂，同时使用大量的实例、图表，增加必要的背景资料，结合生活实际精选练习题和思考题。
第四，采用模块测试，协助学生进行阶段性自我评估。在教材的每个模块后面增加“模块自测题”，借助测验激励学生的学习动机、诊断出存在的问题、鉴定学习的效果，让学生充分了解自己对教材掌握的程度。
四、优化教学方法和评价制度，发挥教材的最大效能
在组织课程教学所涉及的诸多要素中教材处于重要地位。根据应用本科人才培养目标的要求，模拟电子技术课程适宜采用分段式模块化教学方法，与之相适应，教材划分为五大模块进行分段教学，同时注意将理论知识与实践有机地融合，采用任务驱动方式实施教学。此外，还要建立相应的分段考核制度，改变过去那种靠期末闭卷考试“一锤定音”来确定学生成绩的方法，注重过程性评价。只有这样，才能充分发挥模块化教材的最大效能，切实提高教学的质量。
五、结语
本文立足于应用型本科的人才培养目标，针对现行模拟电子技术教材存在的不足，从教学内容体系、教材内容选择以及教材编写模式等方面进行了大胆的探索和改革。笔者主张教材建设应该紧跟电子技术的发展趋势，突出先进性、实用性和工程性，采用模块化编写模式，创建高质量的“模块化自主学习型”模拟电子技术教材，同时辅之以分段式模块化教学方法和分段考核方式，以期更好地满足应用型本科教育的要求。
参考文献：
[1]黄光扬.自主学习型教材——高校教材革新一种国际趋势[N].中国教育报，2012-09-27.
[2]刘微，苗壮.应用型本科院校《模拟电子技术》教学改革探索[J].赤峰学院学报（科学教育版），2011，（7）.
[3]张春艳，杨光.基于CDIO理念电工电子课程体系的研究[J].科技创新导报，2010，（1）.
【关键词】Proteus；集成电路；仿真
Proteus是一款集单片机和SPICE分析于一体的电子仿真软件，功能非常强大，可以同时满足电类各个专业课的教学，Proteus仿真软件7.5版的元器件库中包含了CD4000系列、74系列大部分数字集成电路及LM系列等几百种模拟集成电路，非常适合用于集成电路应用课程的实践教学。为此，笔者分析了Proteus仿真软件在课堂教学、实训、课程设计等各个方面的实践教学应用情况。
1.Proteus在课堂教学中的应用
目前适合高职院校集成电路应用课程教学的教材相对较少，加上集成电路种类繁多，我们在实际教学中以集成电路厂家给定的datasheet文件为基础自编实训教材，选取的几十种常用集成电路中大部分在Proteus元件库中有仿真模型，可以搭建电路进行仿真演示，如NE555、LM324、OP27、LM386、LM317、MC34063、LM3914、LM331等。在集成电路应用教学中，最核心的是集成电路的功能演示。在以往没有使用Proteus软件的情况下，教师只能使用PPT等多媒体手段，针对电路的原理和功能进行枯燥的讲解。使用Proteus软件后，借助软件的可操作性及过程的动态显示，可以通过变换电路形式、设置输入信号参数、调用虚拟仪表进行测量等人机互动功能来增加学生的兴趣和对知识的理解。
如在讲述NE555集成电路的多谐振荡功能时，我们并不急于按照图1来讲述NE555的内部结构和功能，而是使用Proteus搭建如图2所示的电路，使用电压探针监视充放电电容C1上的电压，观察第3脚上的电平颜色变化，可以很清楚的看到当电容C1上的电压升到4V时，Q从高电平变成低电平，电容上的电压开始变为下降，当电容上的电压下降到2V时，Q从低电平变成高电平，电容上的电压开始变为上升，如此反复形成振荡。通过计时还能发现，振荡的周期大概为20多秒，基本与理论上的公式符合。在观察了仿真现象和验证了公式之后，再来理解图1所示的NE555内部结构和功能就容易的多。
在对图2使用Proteus进行仿真时，还可以清晰看到电容C1被NE555控制进行反复的充电和放电，充放电的转换电压正好为2V和4V，也就是1/3VCC和2/3VCC。这样通过软件仿真可以轻松理解NE555电路的特点，而不需要去花很多时间来剖析繁琐的内部模块和结构。对于其他集成电路的教学，也是直接通过电路图来仿真就可以轻松掌握其引脚的功能。
Proteus软件在仿真时，是以动画的形式显示的，同时也可以使用仿真软件上帧进按键，每按一下前进一帧。在讲解和演示时可以在停顿的时间里做更多的穿插讲解，也增加了学生的理解。
2.Proteus在实训教学中的应用实践
传统的电子产品设计过程中，从选定题目开始，首先要确定集成电路型号和使用的方案，之后开始设计电路图，购买元器件，进行PCB打样，最后进行焊接调试[1]，整个过程中还需要使用到若干仪器、仪表和工具。如没有达到设计功能，整个过程或者部分环节就可能需要反复进行。采用PROTEUS软件后，只需要搭建完整的电路图就可进行功能测试和评估，还可以通过调整元器件参数使整个电路性能更佳。这样就无需多次购买电子元器件、PCB打样和焊接调试等费时费力的工作，等仿真结束并确定了元器件和电路图后，一次性完成元器件购买、PCB制作和焊接调试的工作。
例如，如图3所示的在三运放差分放大器的实训中，根据理论计算和图中电阻阻值设置，VO=2.1（V2-V1），使用软件仿真时给定V2=0.2V，V1=0.1V，则通过虚拟测量VO正好为2.1V。通常利用软件仿真得到正确的结果并不容易，调试结束之后，大部分学生均能取得下列认识：
（1）测量可知运放的输入端电流基本为0，即运放的虚断概念；
（2）测量可知运放的输入的+、-两端的电压差基本为0，即运放的虚短概念；
（3）运放通常需要给正负双电源才能正常工作，而且电源极性不能搞反；
（4）运放输出的电压值不可能超出电源范围；
（5）仿真电路图中运放的各输出点电压都能通过理论计算得到，而且误差不大。
（6）如将运放更换为LM324运放，将得到的VO将不再是2.1V，误差比较大，可见OP27的精度比LM324高，原因是其输入失调电压才10uV，而LM324的2mV。
3.Proteus在课程设计中的应用实践
在学习A/D变换集成电路时，作为本课程的课程设计项目之一，我们选择使用ICL7107集成电路来制作一个LED数字电压计。传统的做法是老师给定完整的电路图，学生用1-2周的时间在实验板上焊接调试完成，其中A/D变换的原理、电路的原理及作用等的讲解和分析还是要使用黑板或者PPT来完成，大部分学生很难理解，实训时只能按图接线，出了问题找老师解决，完全不能在理解原理的基础上根据故障现象进行分析和判断，更不能独立消除故障。
在使用Proteus软件后，可以很方便地按照电路的模块进行功能演示、原理解说和故障的分析判断。如图4的电路，可以使用Ptoteus演示出双积分A/D变换器将电压转换成时间间隔的过程，在仿真的过程中，学生理解了积分电阻和积分电容所起的作用。又如图5的电路，可以演示出ICL7107所需要的负电压的产生过程。学生在电脑上仿真成功后，对照仿真电路图进行焊接，然后再根据仿真的现象对焊接完的电路板进行调试，如出现故障，也能借助仿真软件的虚拟仪表来进行测试，帮助进行最终的故障分析和定位。
4.Proteus软件在实践教学中的特点
Proteus软件在集成电路应用课程中起到了很好的作用，最突出的特点是学生的积极主动性有了显著的提高，作为一个电子仿真软件，Proteus对其他电类课程也可以起到较好的辅助教学作用，主要的优点如下：
（1）可以达到学生自主学习为主的目的。原则上只要有电脑就可以学习，学生课后也能在自己的电脑上进行学习，虚拟的元器件和仪器仪表也不可能被损坏，学生也不会怕触电怕短路，能做到大胆尝试，增强独立解决问题的能力，减少学习的依耐性[2]。
（2）解决学校实践条件不足的问题。利用学校已有的机房轻易实现一人一机的实践环境。传统实验室需要元器件、电源、万用表、示波器、常用工具等硬件设施，容易损坏，难于管理，仿真教学和学习相对容易的多。
（3）设计性实验替代验证性实验。传统的实训受到已有元器件的限制，实训往往按部就班，不能开发学生的主观能动性，不利于培养产品研发和设计的能力，仿真软件的使用可以使学生在虚拟的环境中充分发挥自己的想象，设计出不同的电路方案。
5.结束语
Proteus仿真软件为集成电路应用等电子类课程的教学提供了比较方便的途径，解决了很多传统时间教学无法解决的问题，但它毕竟是虚拟的环境，只能作为教学的补充，要让学生真正学习到电路的设计、生产、调试和维修方面的技能，还需要多动手接触实际的电路实物，否则哪怕用的再多，也只能是纸上谈兵，不能完全使用虚拟的仿真来替代实际的实验和实训。
参考文献
[1]吴小花，吴先球.Proteus电路设计与仿真在教学中的实践[J].计算机系统应用2010，19（2）.
[2]陶洪，钱驰波.仿真软件Proteus在《数字电子应用》课程教学中的应用[J].常州信息职业技术学院学报，2009，8（1）.
作者简介：
大约从20世纪80年代起，就有许多业内专家宣称模拟电路已走进死胡同，而数字应用将在电子世界中大放异彩，包括用在通信上的集成电路(integrated circuits，ICs)。在现实中，当然，现代化的通信系统同时需要将模拟及数字功能复杂地融合在一起。
不过有一个问题，比起它的数字同胞，在支持自动化能力这方面，模拟设计及验证工具却远远落后。其结果，模拟设计工程师的生产力远不及数字搭档来得强。
就以数字集成电路设计为例，现代最先进的设计环境提供了高阶的自动化，即使是包含上亿个晶体管的最复杂设计，也能在短短几天内重新转给新的代工厂、同一座代工厂但不同的制程、甚至全新的技术节点。
相对地，缺乏自动化支持的传统式模拟设计环境，代表模拟电路的制作及修改几乎全靠人工。这样的结果，即使把相当简单的模拟功能转向新的代工厂、制程或技术节点，也要耗费6～12个月的时间。换言之，虽然尖端的数字设计已经达到32nm的技术节点，绝大多数的模拟设计仍深陷在130nm及250nm节点的泥沼之中，那算是5～10年前的老旧技术了。
首先，本文先提出数字设计及验证技术演进的概观，并说明现代最先进数字设计环境在支持高阶自动化上的生产力优势。本文接着提出模拟设计及验证技术演进的概观，并且拿来跟数字的自动化能力做对比。
最后，本文讨论了模拟工具必须予以强化以支持更高阶自动化的方法；同时也阐述了现代化IC设计环境必须强化的方法，以具备足以支持真正的、统一的、全芯片混合信号设计、验证、及实现的能力。
数字工具的演进
早期的数字IC设计，约20世纪60年代初期，电子电路皆以手工建立。电路图(原理图)都是用纸笔及印刷模板以手绘制。这些图面显示逻辑门与功能的各式符号，并且用来实现符号之间连线的设计。
执行“功能验证”时，通常是一群工程师围坐在桌子旁，通过原理图兢兢业业地讨论：“这部分我看应该没问题!”同样地，进行“时序验证”时，典型的做法也是靠着纸和笔。最后，用来组成晶体管、电阻器及彼此之间互连的架构都是以人工绘制而成的。
毫无疑问，这种手工艺品方式的设计极为耗时，而且很容易出错。这种情形必须要有解决之道，于是有些公司及大学就率先跳出来，采用各种不同的研究方向。就设计获取(design capture)而言，门级(gate-level)的“原理图获取”套件即在市场上开始出现，至于功能及时序验证，在20世纪60～70年代初期所看到的，则是先出现以“事件驱动逻辑仿真器”及“静态时序分析器”为形式的专门程序。
以抽象的门级建立数字设计，就如同使用汇编语言撰写软件程序一般。就执行效率及所需的计算机内存数量而言，汇编语言的程序或许是不错的实施，但它需要很长时间的获取及确认，而且不容易转到另一台计算机上。同样，门级的表示方式也需要很长的时间获取及确认，转移到新的代工厂或制程／技术节点也相当困难。
至于软件方面，开发者的解决方案则以程序语言(如C语言)的形式，提升至另一个更高层次的抽象概念。然后，这些高级表达式可以编译成计算机所需的机器级指令。这些高级表达式的优点是，可容许软件开发者迅速而精准地捕捉到程序的含义，确认其功能。同时，以C语言撰写的程序可以很容易地转移到其他的计算机平台。
同样，对于数字逻辑而言，设计工程师也开始提升至更高阶的抽象概念，称之为“寄存器传输层”(Register Transfer Level，RTL)。在20世纪80～90年代初期登场的“逻辑综合”(logic synthesis)则用来将RTL表示式编译成对应的门级网表(netlist)。这项“前端”综合技术另以“后端”的自动布局布线(place-and-route)引擎补其不足之处，后者可从门级网表，执行设计的物理实现。
循着C语言程序在编译后能用在不同计算机上的足迹，RTL与逻辑综合的组合让数字设计能更轻易地移植到新的代工厂或制程／技术节点。
模拟工具的演进
实际上，模拟电路的计算机辅助设计与验证工具，在早期是优于数字电路的。模拟电子系统设计在刚起步的时候，电子电路完全靠人工绘制。晶体管层的电路图完全用纸笔及印刷模板以手工绘制，再搭配基本的“纸笔”分析及验证。
在设计由离散(独立封装)的元器件例如晶体管、电阻器、电容器及电感组成时，通常是建立设计的实体原型，将它放上测试平台(test bench)，测量实际的数值，以判定性能优异，然后参考元器件所得的数值，新增或移除所需的元器件，以达到期望的效果。
很显然，这种方法在开始建立第一片模拟IC时并不可行，因为IC设计的工程变更代价非常昂贵。在20世纪60～70年代初期，有几所大学及商业公司着手开发模拟仿真器。这些程序让学生及工程师得以仿真模拟电路，而无须实际付诸行动制造。早期的几个仿真器中，最有名的大概就是“SPICE”(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)，这套程序是由加州大学柏克莱分校所开发，并在70年代初期广为流传供大家使用。
随着时间的演进，模拟仿真在基本模型及算法的复杂度，以及仿真引擎的能力与表现上，有显著的发展。多数今日所使用的模拟工具都发祥成形于20世纪90年代的初期与中期。和其他不同的是，这些工具的基本结构从未试图支持混合信号设计环境的复杂需求，一如本文稍后章节的讨论。
或许更重要的是，现今的模拟设计及验证工具在实质上仅限于捕捉及模拟晶体管级的单线图。到目前为止，有关自动化的成功案例仍属凤毛麟爪，例如：
在高阶抽象概念上描述模拟功能，然后用来生成等效的晶体管级电路。
自动优化模拟电路。
自动布局布线模拟电路。
最终的结局是，模拟集成电路仍旧大多处于全定制，并以人工方式费心费力绘制。除了非常昂贵、耗时、容易出错以外，这类晶体管级的设计型态并不容许现有的设计简简单单地就能转换到新的代工厂或制程／技术节点。相反的是，欲移植这类型的设计需要将电路重头开始，重新实施，耗时9～12个月是常有的事。
这也有助于说明为何最尖端的数字设计目前已迈入32nm的技术节点，但最先进的模拟设计只在90nm节点，而且大部分的模拟设计依然深陷在130nm及250nm节点的泥沼中，那算是5～10 年前的老旧技术了。
模拟自动化的要求
此处所说的要求可以简要地说明之；如何实际达成可说非常地复杂。最低限度，强化后的模拟设计工具必须能提供与数字设计相类似的自动化及生产力能力。这些自动化能力应包括但不限于以下：
在高阶抽象概念下确认模拟功能的能力，然后自动将表示式编译成等价的晶体管层级。
自动执行模拟精细改进及优化的能力。
自动在IC上布局模拟零组件的能力。
自动在IC上布线模拟零组件的能力。
从某制程／技术节点自动移植模拟设计制程至另一个，以及从某代工厂移植至另一家的能力。
从某方面来说，需考虑的最后一点就是所有其他点的叠合。老实说，需耗费6～12个月才能将模拟设计转移到新的技术节点早已令人无法接受。若能透过自动化将此过程降低到仅需数天的时间，模拟功能即可享受到功耗及最新技术节点性能特征的完全优势。
混合信号的考虑
直到最近，大部分的集成电路在性质上若不是纯数字，就是纯模拟。因此，很自然地，任何用来设计或验证这些器件所使用的计算机辅助设计工具，都是只为数字或只为模拟的领域单独设计的。
初期的通信系统是由一大堆相当简单的模拟及数字IC所组成。随着时间的历程，为了满足多样化的要求，例如尺寸、成本、功率、性能及可靠度，越来越多的功能结合在越来越少的芯片上。开始只是将多种模拟功能合并在特定的模拟芯片上，将多种数字功能合并在数字芯片上。直到最近，终于将模拟及数字功能结合在单一的混合信号装置上。
经过这些年的发展，虽然传统的模拟与数字设计及验证工具，在容量及性能上已有长足地进步，但其最基本的底层架构大部分仍是以20世纪90年代中期的技术为基础，而这些工具依旧专注在模拟或数字的领域。举一个简单的例子，模拟与数字的工具及流程使用不同的数据库，因此这两个领域之间的交互非常困难。其结果是数字及模拟的设计团队向来都是井水不犯河水，甚少关注对方到底是在研究什么。
即使是现代“最先进”的混合信号及全定制设计环境，数字与模拟团队大多还是各自独立作业，甚少涉足到对方的领域中。在芯片最后整合(chip finishing)的阶段，也就是将模拟模块和数字模块摆放在一起并走线的时候，两个团队才首次见面并互相介绍认识，这种情况并不罕见。
芯片最后整合通常是以人工的方式执行，其中发生在芯片投片之前的就有许多工作。由于缺少自动化，芯片最后整合活动及动作常常不能反馈回原来的模块设计，这有可能导致成为下一代芯片在设计重用上产生问题。
总结
关键词：跨导运算放大器；增益增强；全差动;开关电容共模反馈
中图分类号：TN402 文献标识码：B
文章编号：1004373X(2008)0507903
A Fully Differential Gain-Boosted Operational Transconductance Amplifier
WU Xiaolei1，GONG Min1，CHEN Lan2
(1.School of Physical Science and Technology,Sichuan University,Chengdu,610065,China;
2.Institute of Microelectronics,Chinese Academy of Science,Beijing,100029,China)
Abstract：A low voltage fully differential gain-boosted CMOS operational transconductance amplifier is designed.The main op amp is a folded-cascode op amp with a pair of PMOS inputs,and two auxiliary op amps are designed to enhance the output impedance and the open loop gain.The main op amp emploies an improved SC-CMFB circuit,which characterizes faster settling time and higher accuracy than the traditional circuit.The OTA is designed in SMIC 0.18μm mixed-signal CMOS technology with 1.8V power supply.The simulation results show that the DC open-loop gain is 92-2 dB and the unity-gain bandwidth is 504 MHz.
Keywords：
OTA;gain-boosted;fully differential;switched-capacitor CMFB
1 引 言
在模拟集成电路设计领域，如在开关电容滤波器、AD转换器等电路中，运算跨导放大器(OTA)是十分重要的模块。在运放的设计中，他的各项参数之间存在着折衷。开环直流增益和单位增益带宽(GBW)是两个重要的参数，开环直流增益决定着运算放大器的精度，比如要保证增益误差在0-01%~0-1%以内，至少需要60~80 dB的低频增益;GBW则决定着运放的速度。
相对于单端输出的运放，全差动运放有以下优点[1]：对共模噪声的抑制；较大的输出摆幅；消除偶次谐波失真；在开关电容电路中可以通过增加一个开关消除电荷注入效应[2]。因此尽管全差动运放需要额外的共模反馈(CMFB)电路来稳定输出电压，但目前高性能模拟电路仍大多采用全差动的工作方式。
在深亚微米设计中，沟道长度调制效应随着沟道长度的缩短越来越明显，使得器件的本征增益受到限制，而增益增强技术[3]可以有效提高运放的增益并且不会影响频率特性。本文采用增益增强技术，在1-8 V电源电压下，设计了一种全差动低功耗的运算跨导放大器。采用一种改进的SC- CMFB电路，在不占用更多芯片面积的前提下有更快的建立时间和更高的精度。
2 电路原理与结构
2.1 电路原理与结构
如图1所示，在两条共源共栅支路上，辅助运放A1和A2从支路电流取样，控制M3~M6的栅极电压，相当于给M3~M6引入了电流串联负反馈，由负反馈的理论[1]可知，这种类型的负反馈将使每条支路输出阻抗提高A1或A2倍。
在没有两个辅助运放A1和A2时，输出点的阻抗为：
2.2 主运放结构的选择
目前流行的OTA结构中，套筒结构有最优秀的性能，但遗憾的是他的输出摆幅受限，因此不适用于低电压设计。折叠共源共栅结构有更大的输出摆幅以及可以使输入和输出短接，共模输入电平也更容易选取，所以得到了广泛的应用。本设计主运放采用折叠共源共栅结构，总体电路如图1所示。
选择P管使得次极点较远，有较好的频率特性，并优化了1/f噪声。另外对于Gain-Boost，后面会看到辅助运放单位增益频率的选择也受到主运放带宽和第一非主极点的限制，P输入对管两个极点距离较远，也使得设计更为方便。
2.3 辅助运放结构
两个辅助运放也为折叠共源共栅结构，其中A1管输入共模电平较低，用PMOS作为输入对管，A2则采用N管输入。辅助运放的共模反馈电路采用连续时间共模反馈，因为辅助运放驱动的负载电容较小，为不影响带宽，开关电容电路势必需要更小的电容，导致时钟馈通效应、电荷注入效应更加明显；另外辅助运放不需要大的输出摆幅，采用连续时间共模反馈也能使建立时间更短。辅助运放A1及其共模反馈电路如图2所示(A2结构与此类似)。
3 电路设计
3.1 开关电容共模反馈
主运放采用开关电容共模反馈，具有大的输出摆幅并且几乎不消耗静态功耗等优点。图3为一种常用的SC-CMFB结构。
在一些手提及电池供电系统中要求有电源关断模式以降低功耗，因此开关电容共模反馈的建立时间是重要的，他决定了模拟电路从电源开启或从关断模式到激活模式的过渡能否可靠工作。基于以上考虑，本设计采用的一种SC-CMFB电路[5],如图4所示。
SC-CMFB电路何时开始工作取决于C2上的电压何时建立到Vcm-Vb，图4所示电路在F1和F2两个周期都有C1和C2并联，给C2充电，理论上讲将有比图3的电路快一倍的建立时间。另外，由于在C2两旁的时钟总有相反的相位，当一个开启时，另一个关断，使得时钟馈通效应和沟道电荷注入效应都得到了抑制，C2的值也可选得更小。
开关电容的选取原则：
(1) Ct=C1+C2连到了运放输出端，这增加了运放的总负载，要求Ct尽量小；
(2) 共模环路也要求有足够的带宽以抑制共模扰动，一般要设为等于或大于差模环路带宽的1/2[4]，这要求Ct不能太小；
(3) C1和C2的比值决定了电压收敛的速度(C2,C1以及两旁的开关实际上组成一个SC的一阶低通滤波器，输入为直流电压Vcm- Vb)，另外选择C1大于C2还可以减小电荷注入误差和泄漏电流误差。
根据以上规则，经过计算和仿真调整，选择C1=120 fF，C2=20 fF已能满足要求。图5为分别使用图3和图4电路的输出共模电平建立时间仿真图，两种结构选择相同的总电容。时钟周期为50 ns，图中可见，改进的SC-CMFB电路有更快的建立时间和更理想的稳定电压值。
3.2 辅助运放设计
在设计辅助运放时必须注意零极点的偶对(doublet)现象，如果偶对出现在系统的-3 dB点以内，则会使系统的建立时间加长。在Gain-Boost中，偶对通常出现在辅助运放的单位增益频率附近，提高偶对的发生频率可以避免他对建立时间的影响，但如果提高到主运放次极点附近时，将会使运放出现不稳定。因此辅助运放的设计必须满足[6,7]：
│陋│鬲u≤ωa≤ωp,2
其中β为闭环系统反馈系数，ωu为主运放的单位增益带宽，ωa为辅助运放的单位增益带宽，ωp,2为主运放第一非主极点频率。在设计中先假设β=1，这样对于更低β值也能满足条件。主运放第一非主极点的位置不好确定，可以选择辅助运放单位增益频率略大于主运放的单位增益频率，根据仿真结果看是否需要调整或加补偿电容。
4 电路仿真
电路采用中芯国际(SMIC)0-18 μm混合信号工艺设计，1-8 V电压供电，在Hspice中进行仿真验证，仿真时，负载电容CL取0-75 pF，加上共模反馈电路电容和输出寄生电容，输出端总负载电容实际约为1 pF。图6所示是运放的频率响应。
运放的低频增益为92-2 dB，单位增益带宽为504 MHz，相位裕量为78°。把运放接为单位增益模式，测量出建立时间为4-5 ns(0.1%建立误差)，压摆率为530 V/μs。运放的其他一些主要参数示于表1中。
表1 OTA主要性能参数
5 结 语
本文对增益增强技术的工作原理进行了分析，并利用0-18 μm混合信号工艺设计了一个全差动跨导运算放大器，采用了一种改进的SC-CMFB电路，有更快的共模电平建立时间和更高的精度。仿真结果表明，在1-8 V电源电压下可以达到92-2 dB的直流增益、504 MHz带宽和78°的相位裕量，功耗也仅为3-2 mW。该OTA可用于高速A/D转换器等领域。
参考文献
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关键词：EWB；电子电路仿真设计
1 软件的性能和特点
(1)采用直观的图形界面创建电路：在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取。
(2)软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。
(3)EWB软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法。
(4)作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。
(5)EWB还是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测量方法。
2 软件的操作说明
2.1 元件与信号源
EWB软件的工作界面具备美观大方、简捷明了的特点。在基本工作区上方有菜单栏、工具栏、元件库栏。从菜单栏可以选择所需的各种命令，从元件库栏中根据图标选择所需要的的元件或仪表，使用鼠标拖放操作安放元器件到工作平台，完成实验电路连接。选中虚拟仪器图标，通过使用鼠标拖放操作，可以安放仪器仪表，设置好仪器仪表的参数后，按下仿真开关控制电路的运行与停止，即可观察测试结果，在基本工作区下方是电路描述窗口，可根据需要输入有关电路的介绍或说明。
EWB提供了丰富的元器件库，根据不同类型可分成：信号源和电源库，基本元件库、二极管库、三极管库、模拟集成电路库、数字集成电路库、逻辑门电路库、数字触发器库、指示器件库、控制器件库、杂元件库和自定义库。
在设计电路时，设计人员根据需要从该库中进行查找与选取元器件，对选中的元件用鼠标左键将其拖放到电子平台工作区，同时可利用旋转、平翻、直翻调整元件方向。为了使电路便于连线，图形整齐，还可以通过鼠标操作对元件进行移动、复制与删除。为了使电路连接简单明了，还可以将一些常用电路定为子电路，子电路相当于用户自己定义的小型模块电路，存放在自己定义的元件图标库里，供以后反复调用。
2.2 虚拟仪器仪表的使用
EWB提供七种虚拟仪器，每种只有一台，在电路设计中，每种仪器只可使用一次，这是其软件设计的局限性，而目前其升级版本Multisim已将虚拟仪器增加到11个，而且同一种仪器可以多次取用。
模拟仪器仪表主要包括万用表、函数发生器、示波器、波特图仪(扫频仪)以及电压表、电流表，数字仪器仪表包括数字发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器。这些仪器仪表(除波特图仪)，在接入电路后，开启仿真开关，若改变电路的测试点，则显示的数据和波形也会相应变化，而不用重新启动电路。EWB的虚拟测试设备能提供快捷简单的分析，主要包括直接工作点，瞬态，交流频率扫描，付立叶、噪声、失真度、参数扫描、零极点、传递函数、直流灵敏度、交流灵敏度、最差情况、蒙特卡洛法等14种分析工具，可以在线显示图形并具有很大的灵活性。
3 软件在广播电视技术工作中的实际应用
3.1 在广播电视技术培训工作中的应用
EWB软件是一款优秀的EAD软件，推出后得到了社会各界的好评。尤其是在教育领域取得了巨大的成功，许多院校把EWB作为电子类专业课教学和实验的各种辅助手段，最大限度的满足了广大学生和工程技术人员的迫切需求。针对软件的这种特殊效能，近年来在广播电视技术领域中，EWB也同样得到了普遍应用，尤其是许多单位把EWB 软件应用在了技术队伍培训工作中收效显著。广播电视高新技术的快速发展，对广播电视技术从业人员的整体素质提出了更高要求，需要广泛开展技术培训工作，但是在职教育和在校学习有着很大的差别，资金、场地、设备、设施等诸多因素制约了技术培训工作的良性发展，EWB软件的应用不仅较好的解决了这一问题，而且体现了三个优越特点：(1)节约资金、高质高效；(2)功能强大、直观形象；(3)操作简便、方便普及。许多单位还把EWB软件应用在了广播电视技术能手竞赛中，更是得到了意想不到的效果。通过对软件的应用不仅克服了客观条件给技术竞赛多形式、多层面开展带来的制约，同时也可以全面的考查参赛选手的实践技能，为展示技术人员的综合技术水平搭建了最佳平台。
3.2 利用EWB软件进行电子电路仿真设计
EWB的优越性能为激发广大技术人员的潜在智能提供了广阔空间。利用EWB可以设计简单、复杂、模拟、数字等各式电路。这为广大技术人员开展技术改造、技术革新工作提供了非常实用的工具。尤其是广播电视发射设备的固态化、数字化、自动化的发展方向，使计算机辅助设计、测量、维护等在广播电视技术领域得到广泛的应用，EWB软件的出色性能表现，也得到了广大技术人员的青睐。下面仅以双音报警器电路的仿真实验为例，向大家简单介绍其电路设计与分析。首先设计电路原理图(见图1)并根据电路需要选择所需元件参数。
图1
用鼠标将元件、仪器拖到电子工作平台，根据电路原理图调整元件，仪器布局，并设定元件标值，调整仪器设置的选项，按通仿真开关，即可进行仿真实验，如果电路设计、连接正确，此时扬声器应该发出“滴、嘟、滴、嘟”…..的双声音，用示波器观察IC1、IC2的输出波形，应该是频率不同的两个方波(见图2)，可通过打印机打印出来，进行实际电路的组装。
图2
此电路原理主要是应用555时基电路组成两个多谐振荡器，用IC1输出的方波信号通过R5去控制IC2的5脚电平，当IC1输出高电平时，IC2的振荡频率低，当IC1输出低电平时，IC2的振荡频率高，因此IC2的振荡频率被IC1的输出电压调制为两种音频频率，所以扬声器发出双音声响。此电路可应用在发射台铁塔匹配间防盗报警，也可在改进后应用于水箱上水报警等其他方面。
参考文献
关键词:模拟电路;故障诊断;小波分析法
中图分类号:TN108.7 文献标识码:A文章编号:1007-9599 (2010) 01-0000-01
模拟电路发生了故障,就不能达到设计时所规定的功能和指标,这种电路称为故障电路。故障诊断就是要对电路进行一定的测试,从测试结果分析出故障。模拟电路故障诊断是电路分析理论中的一个前沿领域。它既不同于电路分析,也不属于电路综合的范畴。模拟电路故障诊断所研究的内容是当电路的拓扑结构已知,并在一定的电路激励下知道一部分电路的响应,求电路的参数,他是近代电路理论中新兴的第三个分支。
一、模拟电路故障
电路诞失所既定的功能称为故障,在模拟电路中的故障类型及原因如下:从故障性质来分有早期故障、偶然故障和损耗故障。早期故障是由设计、制造的缺陷等原因造成的、在使用初期发生的故障,早期故障率较高并随时间而迅速下降。偶然故障是由偶然因素造成的、在有效使用期内发生的故障,偶然故障率较低且为常数。损耗故障是由老化、磨损、损耗、疲劳等原因造成的、在使用后期发生的故障,损耗故障率较大且随时间迅速上升。从故障发生的过程来分有软故障、硬故障和间歇故障。软故障又称渐变故障,它是由元件参量随时间和环境条件的影响缓慢变化而超出容差造成的、通过事前测试或监控可以预测的故障。硬故障又称突变故障。它是由于元件的参量突然出现很大偏差(如开路、短路)造成的、通过事前测试或监控不能预测到的故障。从同时故障数及故障间的相互关系来分有单故障、多故障、独立故障和从属故障。单故障指在某一时刻故障仅涉及一个参量或一个元件,常见于运行中的设备。多故障指与几个参量或元件有关的故障,常见于刚出厂的设备。
二、模拟电路故障测试的传统方法
一般来讲,模拟电路故障诊断的方法可以分为估计法,测试前模拟法和测试后模拟法三大类。估计法是一种近似法,这类方法一般只需较少的测量数据,采用一定的估计技术,估计出最可能发生故障的元件。这类方法又可分为确定法和概率法。确定法依据被测电路或系统的解析关系来判断最可能的故障元件,概率法是依据统计学原理决定电路或系统中各元件发生故障的概率,从而判断出最可能的故障元件。
测前模拟法又称故障字典法或故障模拟法,其理论基础是模式识别原理,基本步骤是在电路测试之前,用计算机模拟电路在各种故障条件下的状态,建立故障字典;电路测试以后,根据测量信号和某种判决准则查字典。从而确定故障。选择测试测量点是故障字典法中最重要的部分。为了在满足隔离要求的条件下使测试点尽可能少,必须选择具有高分辨率的测试点。
测后模拟法又称为故障分析法或元件模拟法,是近年来虽活跃的研究领域,其特点是在电路测试后,根据测量信息对电路模拟,从而进行故障诊断。根据同时可诊断的故障是否受限,SAT又分为任意故障诊断(或参数识别技术)及多故障诊断(或故障证实技术)。
三、模拟电路的故障测试的创新方法――小波分析法
1.小波分析法是基于神经网络的模拟测试
基于神经网络的模拟从测试点提取电压信号特征进行故障诊断,而从电源电流测试角度开展的工作还十分有限。模拟电路中的电流是一个重要的参数,也是故障信息的重要组成部分,包含着电路拓扑结构的丰富信息。若电路发生故障,输出电流波形将随之发生相应变化,含有丰富的故障类信息。对任一电路而言,电源节点是通用的,测量也比较方便,特别是目前模拟/混合电路的集成度与复杂度不断提高,可利用的测试管脚有限,给测试和诊断带来极大困难,因此对电源电流测试的研究具有重要意义。
小波变换具有同时在时-频域分析信号、大量压缩数据的属性,对采样数据经小波变换预处理后,能有效提取故障特征,简化了神经网络结构、提高了训练速度。小波变换具有同时在时-频域分析信号、大量压缩数据的属性,已广泛应用于信号检测、故障诊断等研究领域。在模拟集成电路故障诊断中,小波变换用来预处理采样数据,提取故障特征。二进小波变换通过多分辨分析算法来实现,将信号分解为近似(低频)和细节(高频)两部分,分别对近似和细节继续分解,形成信号的多层分解结构。
2.基于小波分析的模拟电路故障诊断
在电路信号的特征提取中,常采用频谱分析的方法。但是基于统计分析的傅立叶分析仅对不随时间变化的平稳信号十分有效,对于模拟电路响应信号中通常含有非平稳或时变信息却不能有效地提取故障特征。另外,模拟电路中含有大量噪声,若直接将高频成分当作噪声成份舍弃会造成有效成分的损失,若单纯对电路的输出进行分析,会导致故障模糊集较多,分辨率不高。而小波分析所具有的时频局部化特性、良好的去噪能力,无需系统模型结构的优势使之成为分析和处理此类信号的有效工具,也是目前在模拟电路故障诊断领域使用最多的一种特征提取方法,对模拟电路中的软、硬故障均适用。
小波分析的基本原理是通过小波母函数在尺度上的伸缩和时域上的频移来分析信号,适当选择母函数可使扩张函数具有良好的局部性,非常适合对非平稳信号进行奇异值分析,以区分信号的突变与噪声。小波分析技术实现时与神经网络有两种结合方式:一是松散型结合,二是紧致型结合。
总之,模拟电路故障诊断的主要任务是在已知网络的拓扑结构、输入激励信号和故障下的响应时,求解故障元件的物理位置和参数。模拟电路故障诊断理论和方法自研究以来,取得了很多成就,也提出了不少故障诊断方法。
参考文献:
[1]芮S,李明齐,张小东,易辉跃,胡宏林.两次一维维纳滤波信道估计的一种噪声方差优化方法[J]电子学报,2008,08
可编程模拟器件（Programmable Analog Device）是近年来崭露头角的一类新型集成电路。它既属于模拟集成电路，又同可编程逻辑器件一样，可由用户通过现场编程和配置来改变其内部连接和元件参数从而获得所需要的电路功能。配合相应的开发工具，其设计和使用均可与可编程逻辑器件同样方便、灵活和快捷。与数字器件相比，它具有简洁、经济、高速度、低功耗等优势；而与普通模拟电路相比，它又具有全集成化、适用性强，便于开发和维护（升级）等显著优点，并可作为模拟ASIC开发的中间媒介和低风险过渡途径。因此，它特别适用于小型化、低成本、中低精度电子系统的设计和实现，未来其应用将会日益广泛。
1 内部结构与基本原理
通用型可编程模拟器件主要包括现场可编程模拟阵列（FPAA）和在系统可编程模拟电路（ispPAC）两大类。二者的基本结构与可编程逻辑器件相似，主要包括可编程模拟单元（Configurable Analog Block，CAB）、可编程互连网络（Programmable Interconnection Network）、配置逻辑（接口）、配置数据存储器（Configuration Data Memory）、模拟I/O单元（或输入单元、输出单元）等几大部分，如图1所示。模拟I/O单元等与器件引脚相连，负责对输入、输出信号进行驱动和偏置、配置逻辑通过串行、并行总线或在系统编程（ISP）方式，接收外部输入的配置数据并存入配置数据存储器；配置数据存储器可以是移位寄存器、SRAM或者非易失的E2PROM、FLASH等，其容量可以数十位至数千位不等；可编程互连网络是多输入、多输出的信号交换网络，受配置数据控制，完成各CAB之间及其与模拟I/O单元之间的电路连接和信号传递；CAB是可编程模拟器件的基本单元，一般由运行放大器或跨导放大器配合外围的可编程电容阵列、电阻阵列、开关阵列等共同构成。各元件取值及相互间连接关系等均受配置数据控制，从而呈现不同的CAB功能组态和元件参数组合，以实现用户所需的电路功能。CAB的性能及其功能组态和参数相合的数目，是决定可编程模拟器件功能强弱和应用范围的主要因素。
数模混俣可编程器件可看作是可编程模拟器件的推广形式。以SIDSA公司（sidsa.con/fipsoc）的FIPSOC系列（数模混合现场可编程片上系统）为例，它既包含有模拟的可编程单元和互连网络，又包含有由逻辑宏单元和开关矩组成的FPGA，还包含有A/D、D/A转换器和用于配置与控制的嵌入式微处理器等要，可用于片上系统（SOC）的开发与实现。但其模拟部分的规模较小，主要面向数据采集、实时监控等特定应用。
2 基本开发流程
可编程模拟器件开发的主要步骤依次为：（1）电路表达，即根据设计任务，结合所选用的可编程模拟器件的资源、结构特点，初步确定设计方案；（2）分解与综合，即对各功能模块进行细化，并利用开发工具输入或调用宏函数自动生成电原理图；（3）布局布线，即确定各电路要素与器件资源之间的对应关系以及器件内部的信号连接等。可自动或手动完成；（4）设计验证，即对设计进行仿真（根据器件模型和输入信号等，计算并显示电路响应），以初步确定当前设计是否满足功能和指标要求。如果不满足，应返回上一步骤进行修改；（5）由开发工具自动生成当前设计的编程数据和文件；（6）器件编程，即将编程数据写入器件内部的配置数据存储顺。一般通过在线配置方式完成，也可利用通用编程器脱机编程；（7）电路实测，即利用仪器对配置后的器件及电路进行实际测试，详细验证其各项功能和指标。如果发现问题，还需返回前有关步骤加以修改和完善。可编缉模拟器件设计的基本流程图如图2所示。
该流程主要在微机上利用开发工具完成，基本可做到“所见即所得”。以往由于元件超差、接触不良等实际因素造成的延误和返工可基本消除，对设计者的要求也大大降低。
3 主流器件与核心技术
FAS公司（zetex.com）的TRAC系列现有TRAC020、TRAC020LH（微功耗版本）、ZXF36Lxx(模拟门阵列)等器件，采用电压运行算技术一一以随时间连续变化的模拟电压为信号参量。其CAB由运放配置电阻、电容、多路模拟开关等组成，可编程互连网也主要利用模拟开关实现。利用配置数据控制多路模拟开发即可改变CAB的内部连接（即功能组态）；改变一组按特定规律取值的同类元件（电阻或电容）之间的连接关系，获得所需的等效元件取值；改变各CAB间的信号传递关系等。
该系列具有接近常规器件的优良特性（如闭环带宽可达12MHz），面向模拟计算的器件结构和便于向ASIC移植的产品线。其CAB具有加（ADD）、取负（NEG）、对数（LOG）、反对数（ANT）、积分（AUX-def）、微分（AUX-int）等运行型功能组态，设计得可根据设计目标的数字描述或信号流图，利用开发工具以绘制框图方式完成电路设计而无须考虑其内部细节。缺点是可编程能力较强，器件内部连接基本固定（参见图3），仅能利用NIP（直通）和OFF（断开）功能组态或外部连接线（Link）等加以改变；器件内电阻等元件均取值固定，须外接RC元件来改变有关的电路参数。设计过程的自动化程度和电路的整体集成度也因而降低。
Lattice公司的ispPAC系列等采用跨导运算技术，以模拟电流作为主要信号参量，以跨导运算放大器（OTA）取代电压运算放大器，以基于OTA的有源元件取代部分无源元件。该类器件利用D/A转换器按照配置数据改变OTA的偏置电流，从而改变其互导增益gm和电压放大器增益Au，实现对CAB的配置和参数调整。由于在IC中易于改变且调整范围较大，控制精确较高，因此该类器件的参数变化范围和分辨率均可显著提高。此外，该类器件还具有电流模电流共有的高速、低电压、低功耗、宽动态范围、高稳定性等优点。
ispPAC系列包括PAC10、PAC20、PAC30等通用型器件和PAC80、PAC82等ISP滤波器。以PAC10为例（参见图4），其可编程模拟单元（PAC Block）以两个增益可配置（±1～±10）的跨导型仪表放大器作为输入级，以运放、有源反馈元件（跨导放大器）和电容阵列（7个电容可组合出128种等效电容）等构成输出级，可实现放大、迭加、积分和滤波等功能且精度较高；其模拟布线池可灵活地配置器件内部及其与引脚之间的连接关系；自校准单元可自动测量输出失调并利用专用DAC加以补偿；ISP接口支持在系统编程和数据保密。因此，ispPAC的电路性能与可编程能力俱佳。PAC20等还配有DAC和迟滞比较器，仅需单片便可构成的监控系统。
Anadigm公司（anadigm.com）的AN10E40器件则采用开关电容技术（同MOTOROLA原产的MPAA020），通过改变电容比或开关电容的时钟频率来配置电路参数。其内部为典型的阵列式结构（参见图1），由CAB、模拟I/O单元和分布其间的布线资源及可编程时钟资源等组成，信号带宽约250kHz。其CAB由运放、电子开关和开关电容等组成（参见图5），对信号来原、去向和各电容容量（均有256种选择）等均可灵活配置。可编程时钟资源则为各开关电容提供所需的时钟频率（共32种分频比）和相位（每种频率4种）。这样，单个CAB即可实现整流器、放大器、可编程比较器和一阶滤波器等信号调理功能；将多个CAB加以组合、连接，便可实现高阶滤波器、脉宽调制器等更为复杂的电路。由于现有IC工艺可制造的电阻和电容范围有很且误差较大，而电容比的制造精度较高（<0.1%），因此该类器件的电路精度较高，可编程能力较强而制造成本较低，但信号带宽较小，内部噪声较大。
