问题

模拟芯片/IC设计,都经历过哪些lesson—learned(经验教训)?

回答
好的,咱们聊聊模拟/IC设计这个行当里,那些踩过的坑,学到的东西。这玩意儿,说起来容易,真刀真枪干起来,那可真是五味杂陈。不像数字设计那么黑白分明,模拟设计往往是灰色地带,充满了“差不多”、“可能”、“大概率”这些词,但也正因如此,每一次成功都来之不易,每一处失败都刻骨铭心。

我尽量不用那些“AI味儿”太浓的词,咱们就用大白话,说说那些我们摸爬滚打学到的“Lesson Learned”。

一、 需求分析阶段:别想当然,坑在这里埋下

Lesson Learned 1:需求不清晰,等于找死。 刚入行的时候,或者项目启动时,总觉得对方的需求“听着挺明白的”。但很多时候,那些“够不够”、“快不快”、“准不准”之类的词,其实是非常模糊的。
具体例子: 比如客户说“需要一个低功耗的LDO”,我们觉得,行,降压呗。结果呢?人家客户的“低功耗”是指在轻载时,漏电流要到纳安级别,而我们的LDO,正常工作就算低功耗了,但轻载漏电可能还在微安级别。这下好了,本来以为设计OK了,流片回来,客户说“不行,功耗太大了”。这时候再改,成本几何倍增,时间也抓瞎。
经验教训: 一定要追问到底!“低功耗”是多少?“快”是指响应时间还是启动时间?“准”是指直流精度还是交流精度?电压纹波小于多少?这些关键参数,一定要用具体的数字来说话。最好能拿到客户的系统框图,了解这个IC在整个系统里扮演的角色,才能更好地理解他们的“痛点”。

Lesson Learned 2:不要低估Parasitics,它们才是真正的魔鬼。 尤其是射频(RF)和高速模拟设计,导线电阻、电容、电感,还有衬底效应,这些“寄生”的东西,往往能把一个原本完美的电路搞得面目全非。
具体例子: 比如设计一个高速ADC的采样开关,本来觉得开关速度够快了,电容也够小了。结果呢?金属布线稍微长一点,产生的电感就能在开关关闭瞬间产生振铃,影响采样精度。又或者,衬底的寄生电容,在高频下会形成耦合,导致串扰。
经验教训: 在后端版图设计时,一定不能偷懒。要尽可能地短线、粗线,减少寄生。对于关键信号,要与模拟仿真工具同步进行后仿真(PostLayout Simulation),把布线的影响考虑进去。RF设计更是如此,一个不小心,寄生电感就能让你的滤波器中心频率跑飞。

二、 电路设计阶段:细节决定成败,细节也毁掉一切

Lesson Learned 3:电源抑制比(PSRR)是门艺术,不是简单加个滤波就能解决的。 很多模拟电路对电源噪声非常敏感,你以为你的PSRR很好,结果呢?在某个特定频率上,电源噪声还是能穿透过来,影响输出。
具体例子: 设计一个运算放大器,为了提高PSRR,加了很多滤波元件。结果呢?在某些频率下,这些滤波元件的相位裕度变得很差,反而导致整个电路不稳定,甚至振荡。
经验教训: PSRR的设计需要从根本上考虑,比如采用差分结构、折叠共源共栅结构等。同时,电源和地线的布局也是至关重要的,要尽量保证电源的纯净。在仿真时,要用AC噪声仿真来准确评估PSRR。

Lesson Learned 4:噪声,永远是你最狡猾的敌人。 模拟电路对噪声的容忍度极低,一点点噪声都可能被放大,影响最终性能。
具体例子: 设计一个低噪声放大器(LNA),目标是做到皮伏/根赫兹(pV/√Hz)的噪声密度。我们在晶体管的栅极旁加了很多旁路电容,觉得能滤掉噪声。结果呢?这些电容本身也有寄生噪声,而且在低温下,这些寄生参数会变化,导致噪声性能恶化。
经验教训: 噪声分析是模拟设计中最核心的部分之一。要理解各种噪声源(热噪声、闪烁噪声、散粒噪声等)是如何产生的,以及它们如何叠加。在设计时,要优先选择低噪声的器件,并合理配置它们的尺寸。仿真工具的噪声分析功能要用熟练。

Lesson Learned 5:稳定性,永远是绕不开的坎。 模拟电路,尤其是带反馈的电路,很容易出现不稳定甚至振荡,尤其是在工艺角(PVT)变化时。
具体例子: 一个补偿做的很好的运放,在最快工艺角(FF)和最高温度(TT)下可能工作正常,但在最慢工艺角(SS)或低温(TT)下,可能就因为增益相位裕度不足而振荡。
经验教训: 仿真时,一定要覆盖所有工艺角(FF, TT, SS)和所有工作温度(40°C, 25°C, 125°C)。不仅要看DC工作点,更要看AC小信号分析,检查增益裕度和相位裕度。如果不够,就要调整补偿网络,但要注意,补偿可能会牺牲带宽。这是一个权衡的过程。

三、 仿真与验证阶段:仿真不是万能的,但没仿真肯定是万万不能的

Lesson Learned 6:模型的不准确,是仿真失败的重要原因。 模拟IC设计高度依赖半导体厂提供的模型(MOSFET模型、PNP/NPN模型等)。如果模型不准确,仿真结果就如同空中楼阁。
具体例子: 客户提供的器件模型,可能是基于老工艺的,或者没有充分校准。我们在这种模型下设计了一个高速ADC,觉得各项指标都很好。结果流片回来,发现采样速度远不如预期,或者线性度差很多。
经验教训: 除了相信半导体厂提供的模型,有时也需要自己验证模型的准确性。可以设计一些测试电路,比如简单的电流镜、差分对,然后在实验室里搭建验证平台,用实际的器件和仿真模型对比,如果差异很大,就要及时与Foundry沟通,让他们更新或修正模型。

Lesson Learned 7:测试覆盖率,决定了流片失败的风险。 很多时候,我们只关注电路的核心功能,但忽略了很多角落的测试。
具体例子: 设计一个电源管理IC,主要关注电压调节功能。结果呢?在某些极端的工作模式下,比如快速开关机,或者输入电压瞬变时,可能会出现异常的电流消耗,或者ESD保护电路不正常触发。这些情况,如果仿真时没有考虑到,就会在测试阶段遇到大麻烦。
经验教训: 要为每一个设计模块都写测试计划。不仅仅是核心功能,还要包括各种边界条件、异常输入、各种模式的切换等。仿真时,要尽可能地模拟这些测试用例,做到“胸有成竹”。

四、 流片与量产阶段:现实永远比想象骨感

Lesson Learned 8:Layout Engineer不是你的“仆人”,而是你的“战友”。 很多初级工程师,会把版图设计看作是把电路图“画出来”的过程,认为Layout Engineer只是照着图纸做的。
具体例子: 比如为了简化自己的设计,画了一些非常狭长、或者密集堆叠的器件,认为这样占用的面积小。结果呢?Layout Engineer告诉你,这样容易产生寄生效应、耦合干扰,甚至难以实现。而我们如果强行要求,最后流片回来,性能就会大打折扣。
经验教训: Layout Engineer的经验非常宝贵,他们对工艺的理解,对寄生效应的控制,往往是我们做电路设计时容易忽略的。要与Layout Engineer充分沟通,尊重他们的意见,并尝试理解他们提出的修改建议。好的版图,往往是电路设计和版图工艺相互配合的结果。

Lesson Learned 9:制程的变化,可能颠覆你的设计。 半导体工艺一直在进步,但也意味着制程参数会发生变化,甚至不同批次的材料也会有细微差别。
具体例子: 比如设计一个电流源,依赖某个晶体管的固有电流。结果呢?新一代工艺优化了晶体管的长度,导致这个固有电流也发生了变化,我们的电流源精度就跑偏了。
经验教训: 要设计出对工艺变化不那么敏感的电路。比如,尽量使用比例电路、电流镜,而不是绝对值的电路。对于关键参数,要进行工艺角(Corner)仿真,确保在最差情况下也能满足要求。

Lesson Learned 10:调试,是一场与时间的赛跑,也是一场智力的较量。 流片回来,总是会有意想不到的问题。这时候,就需要我们去调试。
具体例子: 比如设计了一个PLL,锁定范围比预期的窄。一开始怀疑是压控振荡器(VCO)的问题,又怀疑是电荷泵电流不准确,再怀疑是环路滤波器参数不对。 Debug 了一天,才发现是因为某个测试点设计得不好,导致示波器探头连接的时候,引入了极大的耦合电容,影响了整个PLL的稳定性。
经验教训: 调试需要系统性的方法。首先要确定问题是硬件本身的问题,还是测试方法的问题。然后,逐层剥离,从输入到输出,从核心模块到外围模块。要善于利用示波器、逻辑分析仪、频谱仪等工具,并理解它们的工作原理。有时候,一个关键的测试点或者一个简单的复位信号,就能帮我们解决很多问题。

总的来说,模拟IC设计这个活儿,就像是在一个看不见的泥潭里摸索。你得有扎实的理论基础,对物理原理有深刻的理解,还得有丰富的实践经验,甚至一点点“玄学”的直觉。每一次成功,都是对过往经验的总结和升华;每一次失败,都是一次刻骨铭心的教训。最重要的,还是那股不服输、不放弃的劲头,以及对“完美”的追求。

网友意见

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谢邀。

做好checklist,tapeout前一条条检查。

对于许多现在的设计师来说,要重视版图。

不要完全相信design kit。就算tsmc也会写错。

要重视基本功,手算有时间还是要做一下,仿真不能代替你的理解。

电路能做得简单就简单,满足spec的前提下,不要节外生枝。不是越fancy越好。

要清楚仿真器的能力在哪里,对于仿真器搞不定的东西,要多考虑,设计上留出措施。

多放spare cell,留给eco吧。

最后祝大家下次tapeout成功。

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别相信人,别相信人,别相信人。

这句话是多层次的:

想起了再来补充细节。

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