電子電路的發(fā)展研究

吳昱城

經(jīng)濟的發(fā)展及科學技術的進步，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)展則相對遲緩，但模擬電路是不可或缺的，仍值得繼續(xù)學習與發(fā)展。

【關鍵詞】數(shù)字電路 模擬電路 發(fā)展

1 前言

隨著國民經(jīng)濟的快速增長，科學技術的快速進步，電子信息產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展，逐漸滲透到國民經(jīng)濟生活的各個領域，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)對軍事領域也有著深遠的影響，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，其在其在國防領域的應用也彰顯了一個國家的綜合國防水平。

作為高新技術產(chǎn)業(yè)，知識、技術和資本是電子信息技術產(chǎn)業(yè)得以快速發(fā)展的三個重要因素，它彰顯了一個國家或地區(qū)制造業(yè)的整體水平，也是一個國家或地區(qū)科學技術和制造業(yè)綜合實力的重要標志。就我國目前的社會經(jīng)濟現(xiàn)狀而言，我國正處于傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型時期。如何平衡新的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，達到經(jīng)濟的穩(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)濟問題是我國目前經(jīng)濟社會發(fā)展面臨的一個重要挑戰(zhàn)。而加速電子信息產(chǎn)業(yè)的建設與發(fā)展，對于促進傳統(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對這一挑戰(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)展離不開電子科學技術的發(fā)展及應用。生產(chǎn)技術的提高及加工工藝的改進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模擬信號（幅值隨時間連續(xù)變化的信號）行傳輸或處理的電子電路。它主要是利用電流或電壓對真實信號進行模擬，使其等比例的再現(xiàn)。如調(diào)幅/調(diào)頻的收音機，接收處理無線電廣播信號，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道。模擬電路在生活中的應用非常廣泛，如晶體管小信號放大器，低頻功率放大器，負反饋放大器，MOS 集成運放，諧振放大器，直流穩(wěn)壓電源等。都是用模擬電路制作的。

模擬電路的設計過程比較復雜，其設計的重點在于電路參數(shù)的實現(xiàn)。其設計的基本流程主要包括以下幾個方面：

2.1 系統(tǒng)定義

系統(tǒng)定義是模擬電路設計的基本前提。根據(jù)設計要求，模擬電路設計工程師需要對電路系統(tǒng)及子系統(tǒng)做出相應的功能定義，并確定面積、功耗等相關性能的參數(shù)范圍。

2.2 電路設計

電路結(jié)構(gòu)的選擇是電路設計的重要環(huán)節(jié)。模擬電路設計工程師需要根據(jù)模擬電路需要實現(xiàn)的功能要求、設計規(guī)范及相應的參數(shù)指標選擇合適的電路結(jié)構(gòu)，并在此基礎上確定元器件的組合方式等。針對模擬電路的設計，目前暫時沒有可以利用的比較成熟的設計軟件，因此，只能是有工程師根據(jù)自己的經(jīng)驗手工完成。這在一定程度上增加了模擬電路設計的難度，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計過程中必不可少的一個環(huán)節(jié)，是模擬工程師判斷模擬電路是否可以達到設計要求的一個重要依據(jù)。工程師根據(jù)仿真結(jié)果，不斷對電路進行修改和調(diào)整，直到模擬電路的仿真結(jié)果可以達到設定的指標及相應的功能要求。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 版圖實現(xiàn)

版圖將電路設計轉(zhuǎn)化生產(chǎn)的重要橋梁。在由前面的設計及仿真結(jié)果確定了模擬電路的結(jié)構(gòu)及相關參數(shù)后，設計工程師對設計的模擬電路進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 物理驗證

在物理驗證階段，需要對設計的模擬電路進行設計規(guī)則檢查（DRC）。設計規(guī)則檢查是在給定的設計規(guī)則的基礎上對其最小線寬、孔尺寸、最小圖形間距等限制工藝進行檢查，衡量版圖工藝實現(xiàn)上的可行性。此外，還要對版圖與電路圖的一致性進行檢查（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計圖進行比較，保證版圖與原電路設計的一致性。

2.6 寄生參數(shù)提取后仿真

在版圖之前進行的電路設計的仿真稱之為“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)加入版圖后進行的電路仿真稱之為“后仿真”，只有當后仿真的仿真結(jié)果達到設計指標及系統(tǒng)功能要求，電路的設計工作才算完成。寄生參數(shù)對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，設計工程師需要根據(jù)后仿真結(jié)果不斷進行晶體管參數(shù)的修改，有時甚至要進行電路結(jié)構(gòu)的調(diào)整，直至后仿真結(jié)果達到系統(tǒng)設計要求。

目前，模擬電路設計難度高且比較復雜，使用的EDA工具的功能和系統(tǒng)配套性又相對落后，且在設計過程中需要進行頻繁的人工干預，對寄生參數(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，導致模擬電路發(fā)展速度相對緩慢。

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)字信號完成對數(shù)字量的運算的電路。數(shù)字電路只處理1和0兩種數(shù)字信號，1表示有，0表示無。數(shù)字電路具有一定的“邏輯思維”能力，能夠進行算數(shù)運算和邏輯運算。它能夠按照預先設計好的規(guī)則，進行相應的邏輯推理及判斷。工程師可以利用數(shù)字電路的邏輯功能，設計出各式各樣的數(shù)字控制裝置，用來實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自動控制。如智能儀表，數(shù)控裝置和電子數(shù)字計算機等。

從60年代開始，由于加工工藝的進步，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，極大的促進了數(shù)字集成電路的發(fā)展進程。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)字電子技術的發(fā)展又進入了一個新紀元。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)字電路的設計則相對簡單。EDA工具對數(shù)字電路的設計提供了強大的支持。數(shù)字電路的設計基本都是半定制的，設計工程師可以依靠相應的軟件進行其數(shù)字電路的設計。其設計的基本流程主要包括為以下幾個方面：

3.1 系統(tǒng)設計和系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)設計的內(nèi)容包括：體系結(jié)構(gòu)的設計、系統(tǒng)模塊的劃分，端口信號的定義以及整體時序的設計。其中規(guī)模較大的系統(tǒng)設計還需要進行系統(tǒng)行為的建模。在進行系統(tǒng)設計后，需要通過仿真驗證系統(tǒng)驗證系統(tǒng)設計的正確性。通常情況下可使用EDA工具進行相應的系統(tǒng)仿真驗證。

3.2 RTL級設計和仿真

對各個模塊進行RTL描述以及設計的仿真，保證設計功能邏輯和時序上的準確性。

3.3 綜合和門級仿真

以設計要求和實際工作條件等約束文件為依據(jù)，將RTL級的描述代碼映射到門級網(wǎng)表上，其中門級網(wǎng)表有標準單元組成。并對綜合出來的電路結(jié)構(gòu)中的延時信息再次進行仿真。

3.4 布局布線

將經(jīng)過綜合和優(yōu)化后的電路設計進行自動布局布線。

3.5 版圖驗證

同模擬電路一樣，在布局布線完成以后需要對其進行版圖驗證，對其進行設計規(guī)則檢查、電化學規(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

將自動布局布線后增加的寄生參數(shù)考慮進去以后，對電路進行仿真驗證，觀察其期是否可以正常工作并滿足設計要求。

數(shù)字電路的數(shù)學基礎是二進制邏輯代數(shù)，容易實現(xiàn)，且具有較高的可靠性。電源電壓的波動、制作溫度和工藝的偏差對其影響較小。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。對于數(shù)字電路的設計、維修及維護等都比較靈活方便。隨著集成電路技術的高速發(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，其相應的功能也從元件級逐步上升到系統(tǒng)級。大大縮小的電路設計的難度，

電路的設計組成只需采用一些標準的集成電路塊單元連接而成。對于非標準的特殊電路還可以使用可編程序邏輯陣列電路，通過編程的方法實現(xiàn)任意的邏輯功能。數(shù)字電路與數(shù)字電子技術被廣泛應用于電視、雷達、通信、電子計算機、自動控制、航天等科學技術領域

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、半導體分立器件到集成電路等幾個發(fā)展階段。由于EDA等工具的強大支持，數(shù)字電路容易實現(xiàn)，其數(shù)字電子技術得到快速發(fā)展。又因其受環(huán)境干擾小，系統(tǒng)可靠性強，集成度高，功能易實現(xiàn)等優(yōu)點在國民經(jīng)濟和生活的各個領域得到廣泛應用。數(shù)字電子技術的發(fā)展和應用，極大的促進了電子信息產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟和社會生活的發(fā)展與普及，對電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了根本性的變革作用。相對而言，由于設計工作復雜、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)展速度遠落后于數(shù)字電路，甚至被有些人被認為是“夕陽產(chǎn)業(yè)”，其地位逐漸會被數(shù)字電路所取代。

模擬電路作為電子集成電路的基礎，其在集成電路及電子信息技術的發(fā)展進程中所扮演的角色卻是無法被替代的。我們所生活的真實世界是模擬的，數(shù)字電路是在模擬電路的基礎上發(fā)展起來的，數(shù)字電路的發(fā)展無法獨立于模擬電路兒單獨存在，模擬電路仍具有廣闊的發(fā)展前景。模擬電路與數(shù)字電路的關系如同地基與樓層，只有打下模擬電路這座堅實的地基，數(shù)字電路的大樓才能愈加牢固，接受風雨的洗禮而屹立不倒。模擬電路發(fā)展的落后也會對數(shù)字電路的發(fā)展產(chǎn)生一定的限制性影響。因此，我們需要在保持數(shù)字電路穩(wěn)定快速發(fā)展的同時，也要兼顧模擬電路的發(fā)展，繼續(xù)模擬電路的發(fā)展與學習。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，才能推動電子信息產(chǎn)業(yè)的快速穩(wěn)定發(fā)展。

參考文獻

[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)分及實用知識的探討[J].山東工業(yè)技術，2013（12）：155.

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

作者單位

河北省唐山市曹妃甸區(qū)第一中學 河北省唐山市 063299