模擬芯片的最大“殺手”，竟然是它？！

從非常宏觀的角度來看，芯片可以分成數(shù)字芯片和模擬芯片兩個(gè)大類。我之前寫過的幾乎所有和芯片相關(guān)的內(nèi)容都是和數(shù)字芯片相關(guān)的，比如FPGA、CPU、GPU等等。這篇文章我們換換口味，來一起看一下和模擬芯片相關(guān)的一些有意思的內(nèi)容。

模擬信號(hào) vs 數(shù)字信號(hào)

模擬芯片和數(shù)字芯片的最主要的區(qū)別，就在于處理的信號(hào)不同。顧名思義，模擬芯片處理的是模擬信號(hào)，而數(shù)字芯片處理的是數(shù)字信號(hào)。這兩種信號(hào)類型有著非常明顯的區(qū)別，但也有著非常緊密的聯(lián)系。

如果從歷史的進(jìn)程來看，人類了解并且使用模擬信號(hào)的時(shí)間，肯定長(zhǎng)于數(shù)字信號(hào)。我們身處的環(huán)境里就充滿了模擬信號(hào)，比如我們?nèi)梭w的各種視覺聽覺觸覺等等的感知，還有外界環(huán)境的各種溫度、濕度、電磁波等等。事實(shí)上我們?cè)诤芏囝I(lǐng)域也在使用模擬信號(hào)，比如很多年前我們用的磁帶和磁盤，還有現(xiàn)在很多顯示器上還有的VGA接口，其實(shí)都是使用的模擬信號(hào)。

模擬信號(hào)最主要的特點(diǎn)，就是它是連續(xù)變化的。也就是說，它的強(qiáng)度在一定的時(shí)間范圍內(nèi)可以有無限多個(gè)不同的取值。

相比之下，數(shù)字信號(hào)的變化是不連續(xù)的，或者說是離散的。比如在計(jì)算機(jī)里我們就使用0和1兩個(gè)數(shù)，任何的邏輯功能和計(jì)算都可以通過0和1這兩個(gè)數(shù)的排列組合實(shí)現(xiàn)。和前面說的磁盤、磁帶還有VGA接口相比，現(xiàn)在我們用的flash閃存，還有這個(gè)HDMI接口等等，使用和處理的都是數(shù)字信號(hào)。 

數(shù)字信號(hào)最大的好處就是能夠非常方便的進(jìn)行存儲(chǔ)、傳輸和處理。因?yàn)樗恍枰幚?和1兩個(gè)數(shù)字，所以理論上你把它復(fù)制成千上萬份，它每一份的內(nèi)容都是相同的。而且如果把它傳輸很遠(yuǎn)的距離，只要它這個(gè)0和1的排列方式不變，它所代表的內(nèi)容就是不變的。所以數(shù)字信號(hào)的這些特性，也是構(gòu)建我們現(xiàn)代人類文明的基石。

但是這并不是說我們就不需要模擬信號(hào)了，就像前面說過的，我們的各種感官接收的都是模擬信號(hào)，我們所在的環(huán)境里自然存在的各種聲光電也是模擬信號(hào)，這些都需要模擬芯片來進(jìn)行處理。所以我們不管是在手機(jī)，還是在汽車或者醫(yī)療設(shè)備里，都能看到非常多的模擬芯片。

模擬信號(hào)的“殺手”：電磁干擾

和數(shù)字信號(hào)相比，模擬信號(hào)的一個(gè)最大的問題就是容易受到干擾。如果我們把手機(jī)放在音箱旁邊，很有可能就會(huì)聽到嗶嗶的聲音，這個(gè)就是手機(jī)信號(hào)對(duì)播放器產(chǎn)生的干擾。從技術(shù)的角度看，這種干擾其實(shí)是電磁干擾，英文是Electromagnetic Interference，簡(jiǎn)稱是EMI。簡(jiǎn)單來說，它的本質(zhì)就是和電磁感應(yīng)有關(guān)。

值得注意的是，電磁感應(yīng)在很多情況下是好事，可以說我們的日常生活中都充滿了電磁感應(yīng)的應(yīng)用，比如手機(jī)和各種無線通信設(shè)備里的天線，就是將接收到的電磁波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，或者把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電磁波發(fā)射出去。 

但是在我們的實(shí)際電路中，在各種電路元件之間、以及導(dǎo)線上都會(huì)不斷發(fā)生各種電流電壓的變化，這樣其實(shí)也會(huì)由于電磁感應(yīng)不斷產(chǎn)生各種電磁波，而這種電磁波對(duì)于我們的那些正常的電路功能來說是有害的，這也就是前面說的電磁干擾。

電磁干擾很可能會(huì)對(duì)關(guān)鍵的電路功能造成負(fù)面的影響。比如在醫(yī)療電子里我們肯定不希望在做手術(shù)的時(shí)候，那些測(cè)量生命體征的傳感器和電路受到電磁干擾而輸出錯(cuò)誤的心跳呼吸血壓等等這些數(shù)據(jù)?；蛘咴谖覀冮_車的時(shí)候，我們也肯定不希望汽車?yán)锏哪切╇娮酉到y(tǒng)——包括控制發(fā)動(dòng)機(jī)的、控制剎車轉(zhuǎn)向的，還有控制各種雷達(dá)導(dǎo)航的電子系統(tǒng)受到電磁干擾而亂搞。所以通常在汽車和工業(yè)應(yīng)用里，都有和電磁干擾EMI相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

電源管理芯片中的低EMI設(shè)計(jì)

我們?cè)倥e個(gè)例子，對(duì)于模擬芯片來說，它的一個(gè)非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域就是電源管理。比如對(duì)于模擬芯片的巨頭公司德州儀器來說，在它的整個(gè)產(chǎn)品組合里，電源管理芯片是非常重要的一部分。電源管理芯片有很多種，比如直流/直流轉(zhuǎn)換，也就是DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器，包括各種升壓降壓反相，還有交流和直流的轉(zhuǎn)換，當(dāng)然還有很多其他的和電源相關(guān)的器件和芯片。毫不夸張的說，只要有電子設(shè)備存在的地方，就需要有電源管理芯片。

而且在一個(gè)完整的電子系統(tǒng)里，比如前面提到的汽車?yán)?，可能有很多不同的功能模塊，它們使用的電壓和功耗都不一定相同，所以在系統(tǒng)里還很可能存在許多個(gè)電源管理芯片。特別是現(xiàn)在ADAS技術(shù)的不斷發(fā)展，在汽車?yán)锛闪嗽絹碓蕉嗟膫鞲衅鳌?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/482292.html">攝像頭、計(jì)算機(jī)之類的電子系統(tǒng)，所以對(duì)于電源管理的需求也在不斷增加。

但是，電源系統(tǒng)里的這些電壓電流的轉(zhuǎn)換，就會(huì)產(chǎn)生大量的電磁輻射，然后會(huì)反過來極大的影響和干擾電路其他部分的功能和可靠性。這就把我們推上了一個(gè)兩難的困境，比如對(duì)于一個(gè)醫(yī)療設(shè)備或者自動(dòng)駕駛汽車來說，我們一方面需要在有限的空間里塞進(jìn)去更多的電子器件和系統(tǒng)，來完成更多的功能；另一方面，加進(jìn)去的電子器件越多，驅(qū)動(dòng)這些電路的的電源系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生更多的電磁輻射和干擾。

所以，在汽車和工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)里，通常都有著比較嚴(yán)格的關(guān)于電磁輻射的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，來保證系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。比如國際無線電干擾特別委員會(huì)的CISPR 25 Class 5標(biāo)準(zhǔn)，就對(duì)汽車環(huán)境下的低EMI設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)苛的行業(yè)要求。為了滿足這些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，模擬芯片工程師就需要不斷去探索和研發(fā)降低電磁輻射的方法，從而最大限度的減少開關(guān)電源對(duì)其他系統(tǒng)組件的干擾。

再拿TI德州儀器來舉例，他們?cè)谧钚掳l(fā)布的兩個(gè)DC/DC控制器LM25149和LM25149-Q1里，就主要采用了兩個(gè)方法來降低電源芯片產(chǎn)生的電磁干擾。一個(gè)就是采用了有源濾波器，另外一個(gè)就是雙隨機(jī)展頻、也就是DRSS技術(shù)。

DRSS這個(gè)技術(shù)，結(jié)合了低頻三角調(diào)制以及高頻偽隨機(jī)調(diào)制這兩種調(diào)制方式，優(yōu)化了低頻和高頻中EMI的性能。這部分內(nèi)容比較抽象，在這篇文章里就不展開了。我們主要來看看這個(gè)有源濾波器。它的原理其實(shí)比較直觀，就是引入了一個(gè)有源濾波電路，它可以感應(yīng)輸入總線上的電壓，并且產(chǎn)生相反的電流，來和電源開關(guān)產(chǎn)生的EMI電流相抵消，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)電磁輻射的濾波作用。

這個(gè)原理其實(shí)就類似于我們很多人都在用的主動(dòng)降噪耳機(jī)。在降噪耳機(jī)里有一個(gè)傳感器可以采集和分析周圍環(huán)境里的那些噪聲，然后在耳機(jī)里產(chǎn)生相反的聲波，這樣就可以和噪聲的聲波相互抵消掉，從而達(dá)到降噪的目的。

事實(shí)上，這種濾波方式也可以使用無源濾波器來實(shí)現(xiàn)，這個(gè)也是傳統(tǒng)的低EMI設(shè)計(jì)通常采用的方法。但是無源濾波器非常大，甚至?xí)颊麄€(gè)電源方案總體積的30%。所以在芯片內(nèi)部集成有源濾波器之后，不但能夠?qū)﹄姶泡椛淦鸬胶芎玫南麥p作用，還能極大的減少器件的尺寸，這樣就實(shí)現(xiàn)了EMI和面積的雙重優(yōu)化，進(jìn)而降低成本，節(jié)省寶貴的電路空間。

根據(jù)TI的數(shù)據(jù)，在440 kHz頻率下，采用這種方案最多可以將前端EMI濾波器的面積和體積分別縮減近50%和75%以上，并且將EMI減少高達(dá)50dBuV。和采用典型無源濾波器的設(shè)計(jì)相比，集成式有源EMI濾波器的設(shè)計(jì)可以幫助將EMI減少20dBuV。此外，前面介紹的DRSS技術(shù)還能幫助在低頻和高頻頻帶上將EMI進(jìn)一步降低5dBuV。

結(jié)語

事實(shí)上，這篇文章里的內(nèi)容只是關(guān)于模擬芯片非常小的一部分。不過就算是管中窺豹，模擬IC的博大精深應(yīng)該也可見一斑。

網(wǎng)上有很多人在討論模擬工程師和數(shù)字工程師哪個(gè)更高端、或者技術(shù)含量更高，也有很多學(xué)生朋友在糾結(jié)未來到底應(yīng)該走哪條路，我也收到過很多類似的問題。我個(gè)人覺得數(shù)字模擬一直都是相輔相成、缺一不可的。比如雖然我主要做數(shù)字電路相關(guān)的工作，但是也會(huì)在工作中接觸到很多和模擬相關(guān)的內(nèi)容，就像是文章里介紹的電源和電磁干擾等等。

知乎里有一個(gè)問題，就是問數(shù)字模擬電路芯片的區(qū)別，我想借用這里最高贊的回答，也是我的好兄弟Tyson說的一句話，不管是走那條路都需要平時(shí)不斷的積累和學(xué)習(xí)，我也會(huì)和大家一起努力加油成長(zhǎng)。 

（注：本文僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，與任職單位無關(guān)。）

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