什么是模拟设计？

由于集成电路（IC）中的所有基本器件都会对连续时间激励作出响应，因此模拟设计构成了所有IC设计的基础。现代IC技术带来了许多设计挑战。 先进工艺节点的制造过程存在显著的变异性。先进集成电路中数量庞大的器件在实际工作时也会导致变异性。这种变异性表现为工作电压、工作温度以及性能的变化。密集排列的器件之间，以及器件与硅片基底 、封装和电路板之间，也会发生相互作用，从而导致信号失真。所有这些效应既可能发生在器件之间，也可能发生在单个集成电路内部。

模拟设计必须对所有这些效应进行补偿，以确保三项基本特性：保真度/精度、一致性，以及性能。可靠性分析和信号完整性 分析是用于建模和缓解这些效应的一些方法。以下是这三项特性在集成电路应用中重要性的几个例子：

• 保真度/精度：许多模拟设计构成了用于感知集成电路（IC）外部条件的电路的基础。感知环境温度、气压、运动和光线是许多物联网（IoT ）设备的基本组成部分。例如，光线感知构成了机器视觉的基础。 要准确感知这些连续时间效应，需要进行精确测量，这意味着执行这些测量的模拟电路必须具备出色的保真度和精度。模拟设计确保了保真度/精度。
• 一致性：数字电路设计通过建模离散的“1”和“0”的传播过程，来简化对大量器件的分析。“1”通常代表主电源电压，“0”则表示无电压。为了使该模型有效运行，电路元件的性能必须在上述所有可变条件下保持一致。 一致性确保电压处于“1”或“0”的参考电平之一。模拟设计可确保满足这些条件。
• 性能：该参数主要有两种表现形式：速度和功耗。所有集成电路（IC）在速度方面都有严格的要求，以满足整体系统的吞吐量 。此外，它们的功耗也必须控制在特定范围内。这一要求源于系统必须保持在可接受的热设计功耗范围内，以确保有效的散热。降低功耗的需求也受到运营成本限制的驱动。模拟设计可确保功耗和速度均在可接受的范围内。

模拟设计与数字设计之间的主要区别在于所采用的基础分析方法。

在模拟电路设计中，电路激励被视为随时间连续变化的信号。电路的行为在时域和频域中进行建模，重点关注所得波形的保真度/精度、一致性以及性能。此外，还必须对由制造和设计引起的电路变异性进行建模和补偿。

数字设计将电路激励视为随时间变化的离散逻辑“1”和逻辑“0”序列。逻辑“1”通常由集成电路（IC）的供电电压表示，而逻辑“0”则由该电压的缺失（即零伏）表示。 数字电路中的器件必须在大部分时间内处于逻辑“1”或逻辑“0”状态。只要处理这些信号的电路对这些逻辑电平的响应保持一致，数字设计就能正常工作。模拟设计则负责确保这些特性得以实现。

这使得可以利用组合逻辑和时序逻辑模型来分析电路的行为，只需考虑两种电压（“1”和“0”），从而大大简化了设计和验证过程。

模拟集成电路的设计通常包括自上而下的设计和实现过程，随后是自下而上的验证过程。这种总体方法有许多不同实现形式。以下是基本步骤：

• 制定该设计的高级规格说明书。它将实现哪些功能？该设计的性能、功耗和面积（即成本）目标是什么？
• 利用滤波器、比较器和放大器等宏函数，制定一个顶层设计方案以实现所需的结果
• 使用晶体管、电阻和电容器等元件，创建用于支持顶层设计的设备级电路描述。此步骤通常会调用预定义函数库，并需要根据每个独特设计的具体要求对这些函数进行定制。
• 利用仿真验证设计是否满足所有规格要求。此处使用的软件通常会采用针对目标制造工艺进行过调谐的线性与非线性元件来建模电路。正是在这一步骤中，将对制造工艺和运行中的变异性进行建模，以确保器件设计在面对这些不确定性时仍能保持鲁棒性。
• 通过组装所有组件的预定义版图来实施设计的物理布局。在此步骤中，优化版图密度以最大限度地降低成本。必须遵守许多布局规则，以确保设计针对可制造性和信号完整性进行优化。对这些规则遵循情况的验证在此步骤中进行，称为物理验证。
• 随后，系统会从版图中提取出等效电路。此时，设计描述中已包含串扰和布线电阻等寄生效应，设计将被重新仿真，以确保在引入这些新效应后仍能按预期运行。此外，提取出的设计还会与原始设计进行比对，以确保使用了正确的器件并进行了正确的连接。这一过程称为逻辑与原理图比对（Logic versus Schematic），或简称LVS检查。
• 在此阶段，还会添加测试电路所需的任何结构。设计完成后，即可进入制造阶段，或集成到更大的数字设计中。将模拟设计集成到更大的数字设计中，称为 AMS，即模拟/混合信号设计。

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