模拟集成电路设计精粹-电子元器件筛选原则及项目

模拟集成电路主要是指由电容、电阻、晶体管等组成的模拟电路集成在一起用来处理模拟信号的集成电路。有许多的模拟集成电路，如运算放大器、模拟乘法器、锁相环、电源管理芯片等。模拟集成电路的主要构成电路有：放大器、滤波器、反馈电路、基准源电路、开关电容电路等。模拟集成电路设计主要是通过有经验的设计师进行手动的电路调试，模拟而得到，与此相对应的数字集成电路设计大部分是通过使用硬件描述语言在EDA软件的控制下自动的综合产生。
　　模拟集成电路被广泛地应用在各种视听设备中。收录机、电视机、音响设备等，即使冠上了"数码设备"的好名声，却也离不开模拟集成电路。
　　实际上，模拟集成电路在应用上比数字集成电路复杂些。每个数字集成电路只要元器件良好，一般都能按预定的功能工作，即使电路工作不正常，检修起来也比较方便，1是1，0是0，不含糊。模拟集成电路就不一样了，一般需要一定数量的外围元件配合它工作。那么，既然是"集成电路"，为什么不把外围元件都做进去呢?这是因为集成电路制作工艺上的限制，也是为了让集成电路更多地适应于不同的应用电路。
　　对于模拟集成电路的参数、在线各管脚电压，家电维修人员是很关注的，它们就是凭借这些判断故障的。对业余电子爱好者来说，只要掌握常用的集成电路是做什么用的就行了，要用时去查找相关的资料。
    我从研究生开始接触模拟集成电路到现在有四年了，有读过“模拟芯片设计的四重境界”这篇文章，我现在应该处于菜鸟的境界。模拟电路设计和数字电路设计是有很大区别的，最基本的是模拟电路处理的是模拟信号，数字电路处理的数字信号。模拟信号在时间和值上是连续的，数字信号在时间和值上是离散的，基于这个特点，模拟电路设计在某些程度上比数字电路设计困难。模拟电路设计困难的具体原因如下：
1. 模拟设计需要在速度、功耗、增益、精度、电源电压、噪声、面积等多种因素间进行折中，而数字设计只需在功耗、速度和面积三个因素间进行平衡。
　　2. 模拟电路对噪声、串扰和其他干扰比数字电路敏感得多。
　　3. 随着工艺尺寸的不断减小，电源电压的降低和器件的二级效应对模拟电路比数字电路的影响严重得多，给模拟设计带来了新的挑战。
　　4. 版图对于模拟电路的影响远大于数字电路，同样的线路差的版图会导致芯片无法工作。
　　我的模拟集成电路设计学习之路是从拉扎维的模拟CMOS集成电路设计这本书开始，这本书在现在工作中还是会去查看，是模拟集成电路设计的经典教材之一。我首先想谈的就是关于模拟电路设计的相关课程和教材建议。模拟电路设计跟做其他事情一样，首先要学会一些基本的准则、方法和知识点，而经典的模拟电路设计教材就是这些东西的融合体，razavi的design of analog CMOS integrated circuits， sansen的analog design essentials， allen的CMOS Analog Circuit Design， paul gray的Analysis and Design of Analog Integrated Circuits以及baker的CMOS Circuit Design， Layout， and Simulation都是模拟电路设计经典的教材，是即使已经工作了都需要经常阅读的书籍。razavi的design of analog CMOS integrated circuits非常适合入门学习，至于其他几本教材的学习顺序则根据自己的情况自行决定。我觉得阅读教材是在作者的帮助下分析电路，而做课后习题则是在锻炼自己独立分析电路和设计电路的能力，将书里的每个电路每个公式每个习题都自己分析推导一遍是非常有必要的，对掌握单级放大器、电流镜，带隙基准。轨到轨输入，class AB。运放。比较器等基本电路具有很大的帮助，可以为以后的发展打下良好的基础。信号与系统和matlab是本科时期必须学好的技能，在研究生的学习以及以后的工作时经常用到。模拟电路设计重在学习和累积经验　　学习模拟电路设计首先要从分析模拟电路开始，模拟电路分析应遵循以下步骤：首先确定分析的目的，明确电路的问题；其次，将复杂电路分解成你熟识的基本电路模块；第三，利用基本电路模块的模型给系统建模；第四，对系统模型进行手工计算；第五，用仿真验证手工计算结果，如若不一致，则必须仔细查找其原因，而不能盲目的相信仿真结果。
     另外，在做电路设计时，要特别注意电路中的信号流，包括电源。地。时钟。输入信号到输出信号的通路等关键通路，清楚了解整个系统的关键信号流，能更快找出电路中的问题，有效减少电路时的bug和缩短debug所用的时间。例如，在图1所示的密勒电容补偿电路中，A点的信号到达B点有两种方式，一种是信号流1通过电容馈通到B点，一种是信号流2通过MOS管到达B点。信号流1中的A点和B点极性相同，信号流2中的A点和B点极性相反，所以由A到B的传输函数有一个右半平面的零点。右半平面的零点减少了系统环路的相位裕度，会降低系统的稳定性，所以在发现这个问题后可以及时将其弥补，以免芯片无法正常工作，降低产品研发的风险和成本。
前文中提到模拟电路的版图设计不光关系到芯片的性能和面积，还会影响芯片的功能，使芯片完全失效，因此我还想谈下模拟电路设计中的版图设计。现在SOC已成为芯片设计的主流趋势，将模拟电路与数字电路集成在一块芯片上，这将模拟电路的版图设计提高到一个新的难度。模拟电路版图设计的关键有两点：一是匹配；二是电源、地和关键信号的走线。有些前辈说模拟集成电路做的就是匹配，在高性能模拟集成电路中更是如此，匹配是降低offset、降低非线性失真、提高共模抑制比和电源抑制比。减小工艺温度和电源电压对芯片性能影响的重要措施，比如bandgap电路的两个bipolar管子之比通常是1:8，这就是为了版图设计时更好地匹配。电源。地以及关键信号的走线设计主要是为了降低数字电路对模拟电路的干扰以及模拟电路中的敏感模块受模拟电路其他模块干扰。具体的学习方法是首先学习模拟版图的艺术这本书，掌握基本的模拟版图设计规则，更深层次的学习只能依靠在学习和工作中累积经验。
     总而言之，模拟集成电路设计是艺术和科学的结合。它既需要模拟电路设计师有艺术家那种发散的创新能力，又要求模拟电路设计师有科学家那种严谨的态度和方法，因为模拟电路设计是细节决定成败。作为一个菜鸟，我要学的东西还有很多，成为优秀的模拟电路设计师是我一直奋斗的目标。

电子元器件筛选原则及项目

电子元器件的固有可靠性取决于产品的可靠性设计，因此，应该在电子元器件装上整机、设备之前，就要设法把具有早期失效的元器件尽可能地加以排除，为此就要对元器件进行筛选。那么元器件筛选都有哪些方案？原则是什么？常见的筛选项目有哪些？
    安排测试筛选先后次序时的两种方案：
    a）方案1：将不产生连环引发效果的失效模式筛选放在前面，将可以与其他失效模式产生连环引发效果的失效模式筛选放在后面。
    b）方案2：将可以与其他失效模式产生连环引发效果的失效模式筛选放在前面，将不产生连环引发效果的失效模式筛选放在后面。
    如果选择方案1，会发现将可以与其他失效模式产生连环引发效果的失效模式筛选放在后面时，出现本身失效模式没有被触发、其他关联的相关失效模式被触发的情况时，这种带有缺陷的元器件不能被准确地定位、剔除，因为该类失效模式的检测已经在前面做过了。而选择方案2就可以非常有效地避免上述问题的发生，使筛选过程优质、经济和高效。

    筛选方案的设计原则
    定义如下：
    筛选效率 W＝剔除次品数/实际次品数
    筛选损耗率 L＝好品损坏数/实际好品数
    筛选淘汰率Ｑ＝剔降次品数/进行筛选的产品总数
    理想的可靠性筛选应使W=1，L=０，这样才能达到可靠性筛选的目的。Q值大小反映了这些产品在生产过程中存在问题的大小。Q值越大，表示这批产品筛选前的可靠性越差，亦即生产过程中所存在的问题越大，产品的成品率低。
    筛选项目选择越多，应力条件越严格，劣品淘汰得越彻底，其筛选效率就越高，筛选出的元器件可靠性水平也越接近于产品的固有可靠性水平。但是要付出较高的费用、较长的周期，同时还会使不存在缺陷、性能良好的产品的可靠性降低。
    故筛选条件过高就会造成不必要的浪费，条件选择过低则劣品淘汰不彻底，产品的使用可靠性得不到保证。由此可见，筛选强度不够或筛选条件过严都对整批产品的可靠性不利。
    为了有效而正确地进行可靠性筛选，必须合理地确定筛选项目和筛选应力，为此，必须了解产品的失效机理。产品的类型不同，生产单位不同以及原材料及工艺流程不同时，其失效机理就不一定相同，因而可靠性筛选的条件也应有所不同。
    因此，必须针对各种具体产品进行大量的可靠性试验和筛选摸底试验，从而掌握产品失效机理与筛选项目间的关系。
    元器件筛选方案的制订要掌握以下原则：
    筛选要能有效地剔除早期失效的产品，但不应使正常产品提高失效率；
    为提高筛选效率，可进行强应力筛选，但不应使产品产生新的失效模式；
    合理选择能暴露失效的最佳应力顺序；
    对被筛选对象可能的失效模式应有所掌握；
    为制订合理有效的筛选方案，必须了解各有关元器件的特性、材料、封装及制造技术。
    此外，在遵循以上五条原则的同时，应结合生产周期，合理制定筛选时间。
    几种常用的筛选项目
    高温贮存
    电子元器件的失效大多数是由于体内和表面的各种物理化学变化所引起，它们与温度有密切的关系。温度升高以后，化学反应速度大大加快，失效过程也得到加速。使得有缺陷的元器件能及时暴露，予以剔除。
    高温筛选在半导体器件上被广泛采用，它能有效地剔除具有表面沽污、键合不良、氧化层有缺陷等失效机理的器件。通常在最高结温下贮存24~168小时。
    高温筛选简单易行，费用不大，在许多元器件上都可以施行。通过高温贮存以后还可以使元器件的参数性能稳定下来，减少使用中的参数漂移。各种元器件的热应力和筛选时间要适当选择，以免产生新的失效机理。
    功率电老炼
    筛选时，在热电应力的共同作用下，能很好地暴露元器件体内和表面的多种潜在缺陷，它是可靠性筛选的一个重要项目。
    各种电子元器件通常在额定功率条件下老炼几小时至168小时，有些产品，如集成电路，不能随便改变条件，但可以采用高温工作方式来提高工作结温，达到高应力状态，各种元器件的电应力要适当选择，可以等于或稍高于额定条件，但不能引人新的失效机理。
    功率老炼需要专门的试验设备，其费用较高，故筛选时间不宜过长。民用产品通常为几个小时，军用高可靠产品可选择 100、168小时，宇航级元器件可以选择240小时甚至更长的周期。
    温度循环
    电子产品在使用过程中会遇到不同的环境温度条件，在热胀冷缩的应力作用下，热匹配性能差的元器件就容易失效。温度循环筛选利用了极端高温和极端低温间的热胀冷缩应力，能有效的剔除有热性能缺陷的产品。元器件常用的筛选条件是－55～+125℃，循环5~10次。
    离心加速度
    离心加速度试验又称恒定应力加速度试验。这项筛选通常在半导体器件上进行，把利用高速旋转产生的离心力作用于器件上，可以剔除键合强度过弱、内引线匹配不良和装架不良的器件，通常选用20000 g 离心加速度持续试验一分钟。
    监控振动和冲击
    在对产品进行振动或冲击试验的同时进行电性能的监测常被称为监控振动或监控冲击试验。这项试验能模拟产品使用过程中的振动、冲击环境，能有效地剔除瞬时短、断路等机械结构不良的元器件以及整机中的虚焊等故障。在高可靠继电器、接插件以及军用电子设备中，监控振动和冲击是一项重要的筛选项目。
    典型的振动条件是：频率20～2000 Hz ，加速度2~20 g ，扫描1~2周期，在共振点附近要多停留一段时间。典型的冲击筛选条件是1500^ -3000g ，冲击3~5 次，这项试验仅适用于元器件。
    监控振动和冲击需要专门的试验设备，费用昂贵，在民用电子产品中一般不采用。
    除以上筛选项目外，常用的还有粗细检漏、镜检、线性判别筛选、精密筛选等。 (责任编辑：admin)

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