电子电路的发展研究

DevinSloma

经济的发展及科学技术的进步，使得电子信息产业日新月异，发展前景十分广阔。电子电路的发展在电子信息产业发展进程中扮演者重要角色。其中，数字电路优势明显，发展迅速，而模拟电路的发展则相对迟缓，但模拟电路是不可或缺的，仍值得继续学习与发展。
【关键词】数字电路 模拟电路 发展
1 前言
随着国民经济的快速增长，科学技术的快速进步，电子信息产业得到快速发展，逐渐渗透到国民经济生活的各个领域，使人们的生活发生了翻天覆地的变化。电子信息产业对军事领域也有着深远的影响，改变了传统战争的作战模式，在现代国防中发挥着越来越重要的作用，其在其在国防领域的应用也彰显了一个国家的综合国防水平。
作为高新技术产业，知识、技术和资本是电子信息技术产业得以快速发展的三个重要因素，它彰显了一个国家或地区制造业的整体水平，也是一个国家或地区科学技术和制造业综合实力的重要标志。就我国目前的社会经济现状而言，我国正处于传统产业结构转型时期。如何平衡新的产业结构，达到经济的稳定快速发展，解决目前政府资本过剩、内需不足、市场疲软等宏观经济问题是我国目前经济社会发展面临的一个重要挑战。而加速电子信息产业的建设与发展，对于促进传统产业变革、改变传统产业结构、增加就业率、提升就业水平具有重要作用是应对这一挑战的最好办法。
电子电路是电子信息产业的技术支撑。是电子信息产业的发展重要限制因素。电子信息产业的快速发展离不开电子科学技术的发展及应用。生产技术的提高及加工工艺的改进加快了集成电路的更新速度，也为电子信息产业注入了蓬勃的朝气以及更加旺盛的生命力，使其得以快速发展。根据其结构、功能的不同，电子电路可以分为模拟电路和数字电路。
2 模拟电路
模拟电路是一种针对模拟信号（幅值随时间连续变化的信号）行传输或处理的电子电路。它主要是利用电流或电压对真实信号进行模拟，使其等比例的再现。如调幅/调频的收音机，接收处理无线电广播信号，然后经过一系列的混频、放大、解调等过程，最终完成音乐的播放和新闻等的报道。模拟电路在生活中的应用非常广泛，如晶体管小信号放大器，低频功率放大器，负反馈放大器，MOS 集成运放，谐振放大器，直流稳压电源等。都是用模拟电路制作的。
模拟电路的设计过程比较复杂，其设计的重点在于电路参数的实现。其设计的基本流程主要包括以下几个方面：
2.1 系统定义
系统定义是模拟电路设计的基本前提。根据设计要求，模拟电路设计工程师需要对电路系统及子系统做出相应的功能定义，并确定面积、功耗等相关性能的参数范围。
2.2 电路设计
电路结构的选择是电路设计的重要环节。模拟电路设计工程师需要根据模拟电路需要实现的功能要求、设计规范及相应的参数指标选择合适的电路结构，并在此基础上确定元器件的组合方式等。针对模拟电路的设计，目前暂时没有可以利用的比较成熟的设计软件，因此，只能是有工程师根据自己的经验手工完成。这在一定程度上增加了模拟电路设计的难度，限制了模拟电路的发展速度。
2.3 电路仿真
电路仿真是模拟电路的设计过程中必不可少的一个环节，是模拟工程师判断模拟电路是否可以达到设计要求的一个重要依据。工程师根据仿真结果，不断对电路进行修改和调整，直到模拟电路的仿真结果可以达到设定的指标及相应的功能要求。常用方法主要有参数扫描法，直流和交流分析法、蒙特卡罗分析等
2.4 版图实现
版图将电路设计转化生产的重要桥梁。在由前面的设计及仿真结果确定了模拟电路的结构及相关参数后，设计工程师对设计的模拟电路进行物理几何性的描述，将其转换成图形格式，以便于模拟电路后续的加工与制作。
2.5 物理验证
在物理验证阶段，需要对设计的模拟电路进行设计规则检查（DRC）。设计规则检查是在给定的设计规则的基础上对其最小线宽、孔尺寸、最小图形间距等限制工艺进行检查，衡量版图工艺实现上的可行性。此外，还要对版图与电路图的一致性进行检查（LVS）。可以利用LVS工具提取版图的参数，将得到的电路图与原电路设计图进行比较，保证版图与原电路设计的一致性。
2.6 寄生参数提取后仿真
在版图之前进行的电路设计的仿真称之为“前仿真”，“前仿真”都是比较理想的仿真，没有考虑到连线的电阻、电容等寄生参数。将寄生参数加入版图后进行的电路仿真称之为“后仿真”，只有当后仿真的仿真结果达到设计指标及系统功能要求，电路的设计工作才算完成。寄生参数对模拟电路的影响较大，前仿真的仿真结果满足的情况下，后仿真结果却无法满足要求。因此，设计工程师需要根据后仿真结果不断进行晶体管参数的修改，有时甚至要进行电路结构的调整，直至后仿真结果达到系统设计要求。
目前，模拟电路设计难度高且比较复杂，使用的EDA工具的功能和系统配套性又相对落后，且在设计过程中需要进行频繁的人工干预，对寄生参数等比较敏感等，这些都在一定程度上限制了模拟电路的发展，导致模拟电路发展速度相对缓慢。
3 数字电路
数字电路又称数字逻辑电路，顾名思义，即是通过利用数字信号完成对数字量的运算的电路。数字电路只处理1和0两种数字信号，1表示有，0表示无。数字电路具有一定的“逻辑思维”能力，能够进行算数运算和逻辑运算。它能够按照预先设计好的规则，进行相应的逻辑推理及判断。工程师可以利用数字电路的逻辑功能，设计出各式各样的数字控制装置，用來实现对生产过程的自动控制。如智能仪表，数控装置和电子数字计算机等。
从60年代开始，由于加工工艺的进步，双极型工艺的出现使得数字集成器件可以制成小规模逻辑器件，而后逐渐发展到中规模逻辑器件；直到70年代末，微处理器的诞生，使数字集成电路的性能产生质的飞跃，极大的促进了数字集成电路的发展进程。逻辑门是数字电路中重要的逻辑单元电路，TTL逻辑门电路出现最早，至今仍是主要的基本逻辑门器件。随着CMOS工艺的发展，CMOS逻辑器件也逐渐被人们所接受。近年来，可编程逻辑器件PLD，尤其是现场可编程门阵列FGPA的飞速发展，使数字电子技术的发展又进入了一个新纪元。不仅增大了其规模，还使其器件的功能更加完善，使用更加方便灵活。
相比较于模拟电路，数字电路的设计则相对简单。EDA工具对数字电路的设计提供了强大的支持。数字电路的设计基本都是半定制的，设计工程师可以依靠相应的软件进行其数字电路的设计。其设计的基本流程主要包括为以下几个方面：
3.1 系统设计和系统仿真
系统设计的内容包括：体系结构的设计、系统模块的划分，端口信号的定义以及整体时序的设计。其中规模较大的系统设计还需要进行系统行为的建模。在进行系统设计后，需要通过仿真验证系统验证系统设计的正确性。通常情况下可使用EDA工具进行相应的系统仿真验证。
3.2 RTL级设计和仿真
对各个模块进行RTL描述以及设计的仿真，保证设计功能逻辑和时序上的准确性。
3.3 综合和门级仿真
以设计要求和实际工作条件等约束文件为依据，将RTL级的描述代码映射到门级网表上，其中门级网表有标准单元组成。并对综合出来的电路结构中的延时信息再次進行仿真。
3.4 布局布线
将经过综合和优化后的电路设计进行自动布局布线。
3.5 版图验证
同模拟电路一样，在布局布线完成以后需要对其进行版图验证，对其进行设计规则检查、电化学规则检查及版图与电路图的一致性检查等。
3.6 寄生参数提取后仿真
将自动布局布线后增加的寄生参数考虑进去以后，对电路进行仿真验证，观察其期是否可以正常工作并满足设计要求。
数字电路的数学基础是二进制逻辑代数，容易实现，且具有较高的可靠性。电源电压的波动、制作温度和工艺的偏差对其影响较小。此外，数字电路还具有较高的集成度，体积较小以及较低的能耗。对于数字电路的设计、维修及维护等都比较灵活方便。随着集成电路技术的高速发展，数字逻辑电路的集成度越来越高，随着集成电路块规模的增大，其相应的功能也从元件级逐步上升到系统级。大大缩小的电路设计的难度，
电路的设计组成只需采用一些标准的集成电路块单元连接而成。对于非标准的特殊电路还可以使用可编程序逻辑阵列电路，通过编程的方法实现任意的逻辑功能。数字电路与数字电子技术被广泛应用于电视、雷达、通信、电子计算机、自动控制、航天等科学技术领域
4 结论
模拟电路与数字电路的发展都经历了由电子管、半导体分立器件到集成电路等几个发展阶段。由于EDA等工具的强大支持，数字电路容易实现，其数字电子技术得到快速发展。又因其受环境干扰小，系统可靠性强，集成度高，功能易实现等优点在国民经济和生活的各个领域得到广泛应用。数字电子技术的发展和应用，极大的促进了电子信息产业在国民经济和社会生活的发展与普及，对电子信息产业的发展起到了根本性的变革作用。相对而言，由于设计工作复杂、难度较高，以及工艺发展的限制等，模拟电路的发展则日渐式微，发展速度远落后于数字电路，甚至被有些人被认为是“夕阳产业”，其地位逐渐会被数字电路所取代。
模拟电路作为电子集成电路的基础，其在集成电路及电子信息技术的发展进程中所扮演的角色却是无法被替代的。我们所生活的真实世界是模拟的，数字电路是在模拟电路的基础上发展起来的，数字电路的发展无法独立于模拟电路儿单独存在，模拟电路仍具有广阔的发展前景。模拟电路与数字电路的关系如同地基与楼层，只有打下模拟电路这座坚实的地基，数字电路的大楼才能愈加牢固，接受风雨的洗礼而屹立不倒。模拟电路发展的落后也会对数字电路的发展产生一定的限制性影响。因此，我们需要在保持数字电路稳定快速发展的同时，也要兼顾模拟电路的发展，继续模拟电路的发展与学习。数字电路与模拟电路二者相辅相成，兼顾好二者的稳定发展，才能推动电子信息产业的快速稳定发展。
参考文献
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作者单位
河北省唐山市曹妃甸区第一中学 河北省唐山市 063299