为什么说模拟芯片设计更像是一门经验科学而不是理论科学？

我们曾经写文章提到过模拟芯片是芯片中的慢变行业（回顾点击这里），很重要的原因来自于供需两方面。

首先，模拟信号的处理本质上对于运算能力天然没有“卷”的要求，又十分注重稳定性和高信噪比，“因此”在电路设计环节模拟芯片设计也更像是经验科学。这个“因此”虽然用的很顺，但里面的因果关系显而易见吗？

所谓芯片就是特定功能的集成电路，而芯片设计本质上就是电路设计。对于芯片设计工程师而言，所谓的特定功能就是给定输入信号要输出目标信号。比如信号放大器的功能就是输入一个正弦波要输出一个长的一样的更大的正弦波。实现手段就是通过电子器件的串、并联，设计的基本原理就是我们高中物理中学过的欧姆定律等电学基本知识。

说到这大家感觉这个不难，就是电阻、电容的串并联嘛。确实，如果只是电阻电容等线性器件的串并联设计，难度并不大，但大家有没有发现有一类最重要的元器件缺席了，就是二极管和三极管。在芯片设计中，这是信号处理以及逻辑运算的基础，恰恰这个基础并不能用我们高中所学的电路知识来理解，因为它们是非线性器件。

简单来讲，非线性器件就是加载在器件两端的电压和所产生的电流不符合线性关系的电子器件，因此无法直接用基础的电学知识来理解信号输出的特征。上图来看二极管的伏安特性曲线（电压电流关系）。

从图中我们可以看到，二极管的特征是在正向电压高于特定数值时呈现出低电阻导通的特征，而在反向电压低于特定数值时呈现截止状态，从而实现电路单向导通的功能。因此在电路设计中虽然不能直接处理非线性器件，但可以通过等效电路来实现。也就是说，一个二极管可以等效成一个单向开关、一个反向的小电源以及一个小电阻的串联，从而实现电路的分析。

问题看似完美解决，其实不然。我们能够用上述等效电路来分析二极管的前提有两个，一是二极管的伏安特性曲线十分稳定，二是输入信号都在器件的工作范围之内，也就是黄圈和绿圈的范围内。但在模拟电路的设计过程中，这两个条件可能都不完全满足，首先二极管的伏安特性并不稳定，温度、湿度、器件的杂质、工艺特征等因素都会导致二极管的伏安特性曲线都会有较大变化，这样的变化会影响等效电路模型，比如那个小电阻的大小、那个小电源的大小。

模拟器件由于工况复杂，工作温度、湿度、噪声等因素随应用领域、应用场景不同而差距较大需依赖经验，至于器件杂质、工艺特征与晶圆厂的工艺水平，技术路线等有较大相关性，对于设计师而言，同样需要经验积累，甚至同一个企业的不同代工厂都有所不同。而传感器得到的模拟信号本身就无法保证在波形、频率等各个方面都十分规范，因此对于不同的信号源，光、声、压力等不同的应用场景，适用的伏安特性曲线也都要做相应考量。如果再考虑频率响应、噪声、增益等要求，设计上可能出现的问题就更加复杂了，而这种复杂并不能通过理论计算，软件辅助的方式解决。

聊到这里你会发现，模拟芯片与数字芯片在设计上最大的区别就是在于模拟信号本身质量较差同时工况多样复杂，因此会出现更多的非线性器件进入失效区域的可能，从而使得经模拟芯片设计更像是一门经验科学，成熟的模拟芯片工程师是需要时间积累的。

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