模拟设计的未来

作者：欧胜微电子有限公司 Peter Frith

摩尔定律告诉我们硅制造业的改进可使我们在同样的成本下，每两年就使晶体管的数量翻一番。换个观察的角度就是硅晶圆的价格从未上升，并且硅晶圆的固定价格使我们不得不去构想如何最好地使用每两年翻一倍的晶体管。

然而，欧姆定律说明了模拟设计的规格不会随着几何尺寸的缩小而改变，并且由于电源电压降低，信噪比（SNR）很难维持，更不用说提高。的确，如果信号振幅减半，为了维持信噪比，我们需要将噪声减小一半，这要求回路中的电流增长四倍，结果是导致双倍的功耗。因此，我们处于了自相矛盾的尴尬局面，虽然小几何尺寸工艺通过降低信号振幅显著地减少了功耗并改善了数字电路的性能，但它们恰恰与模拟电路相反（为了便于描述，在此忽略了模拟电路的快速改进）。

更为重要的是，晶体管数量的倍增同样增加了设计的复杂性，要求过去常用来实现这些复杂设计的方法和工具都需加以改变；在重要设计中都了解芯片上每个晶体管作用的时代已经过去了。

尽管在设计环境中有这些显著的变化，但只需对我们身边的物理世界做一个简单的测试就可提醒我们现实世界是模拟的，并且比以前需要更多的真实世界界面（RWI）。模拟设计在任何时候都不会立刻消失，但是现在大量被实施的模拟设计的目标都在于实现这些真实世界接口，也就是典型的模数转换或数模转换的无穷尽的不同形式。

这些问题的一些反应使模拟设计师们意识到：在模拟设计问题不能从根本上得到改变的同时，为了利用设计经济学变化而产生的这些新规则所带来的实际机遇，设计架构和模式都需要改变。从这个新兴的设计模式来看，既可以改变电路的架构来直接实施数字域的功能（这个时候模拟电路变成了这种信号处理的ADC和DAC界面），或者也可以使用“数位增强模拟”技术。用这种方法，一种模拟功能将由其他可能相当差的执行电路技术来实现，但是它随后将被诸如校准或校正功能等数字电路包围，以帮助实现模拟性能的一种全面改善。

音频电路就呈现了采用这两种方法的几个好的例子。正如前面所提及到，模拟信噪比对功耗非常敏感，典型情况下信噪比改进3dB要求功率增长6dB。但是在数字域，信噪比得到一个6dB的改进只需要在字长中增加一个比特，比起平常就处理20〜24字节典型设计，它具有着难以置信的高价值。此外，在模拟域中如果有两个级联的两个模拟平台，它们每个大概有100dB的信噪比，它们相结合的结果是一个仅有97dB的信噪比的信号路径。因此，很明显将音频信号处理尽快移到模拟域中是很符合需要的。

快速扫描一些当今大多数音频系统架构，就可以发现这的确是正在采用的方向；信号总是在芯片输入端尽可能快地被数字化，并且仅在芯片最终输出端才转换回模拟信号。在大多数复杂的音频系统中，在多个异步时钟域中将会有几个音频流。把这些信号混频在一起需要采样速率转换到一个单一的采样域，它曾经相对昂贵直到摩尔定律给了我们所有的这些“免费”晶体管。第一代音乐播放移动电话在一般来讲在模拟域中将音乐和语音信号混合到一起，因为相对于使用相对更大线宽的数字门，这比数字方式的成本更低。其结果是恶化了整个信号路径的信噪比，当它们按路线从电路板被发送到模拟混频器时，会带来模拟信号衰落等额外潜在问题。同时，模拟解决方案在那时候是一个可接受的解决方案，在数字域中实现这种功能无论是在性能还是在成本上都明显更加可取，当然这种数字优势只会随着技术的发展而变得更广泛。