模擬設(shè)計(jì)的未來

摩爾定律告訴我們硅制造業(yè)的改進(jìn)可使我們在同樣的成本下，每兩年就使晶體管的數(shù)量翻一番。換個(gè)觀察的角度就是硅晶圓的價(jià)格從未上升，并且硅晶圓的固定價(jià)格使我們不得不去構(gòu)想如何最好地使用每兩年翻一倍的晶體管。

然而，歐姆定律說明了模擬設(shè)計(jì)的規(guī)格不會隨著幾何尺寸的縮小而改變，并且由于電源電壓降低，信噪比（SNR）很難維持，更不用說提高。的確，如果信號振幅減半，為了維持信噪比，我們需要將噪聲減小一半，這要求回路中的電流增長四倍，結(jié)果是導(dǎo)致雙倍的功耗。因此，我們處于了自相矛盾的尷尬局面，雖然小幾何尺寸工藝通過降低信號振幅顯著地減少了功耗并改善了數(shù)字電路的性能，但它們恰恰與模擬電路相反（為了便于描述，在此忽略了模擬電路的快速改進(jìn)）。

更為重要的是，晶體管數(shù)量的倍增同樣增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，要求過去常用來實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜設(shè)計(jì)的方法和工具都需加以改變；在重要設(shè)計(jì)中都了解芯片上每個(gè)晶體管作用的時(shí)代已經(jīng)過去了。

盡管在設(shè)計(jì)環(huán)境中有這些顯著的變化，但只需對我們身邊的物理世界做一個(gè)簡單的測試就可提醒我們現(xiàn)實(shí)世界是模擬的，并且比以前需要更多的真實(shí)世界界面（RWI）。模擬設(shè)計(jì)在任何時(shí)候都不會立刻消失，但是現(xiàn)在大量被實(shí)施的模擬設(shè)計(jì)的目標(biāo)都在于實(shí)現(xiàn)這些真實(shí)世界接口，也就是典型的模數(shù)轉(zhuǎn)換或數(shù)模轉(zhuǎn)換的無窮盡的不同形式。

這些問題的一些反應(yīng)使模擬設(shè)計(jì)師們意識到：在模擬設(shè)計(jì)問題不能從根本上得到改變的同時(shí)，為了利用設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)學(xué)變化而產(chǎn)生的這些新規(guī)則所帶來的實(shí)際機(jī)遇，設(shè)計(jì)架構(gòu)和模式都需要改變。從這個(gè)新興的設(shè)計(jì)模式來看，既可以改變電路的架構(gòu)來直接實(shí)施數(shù)字域的功能（這個(gè)時(shí)候模擬電路變成了這種信號處理的ADC和DAC界面），或者也可以使用“數(shù)位增強(qiáng)模擬”技術(shù)。用這種方法，一種模擬功能將由其他可能相當(dāng)差的執(zhí)行電路技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，但是它隨后將被諸如校準(zhǔn)或校正功能等數(shù)字電路包圍，以幫助實(shí)現(xiàn)模擬性能的一種全面改善。

音頻電路就呈現(xiàn)了采用這兩種方法的幾個(gè)好的例子。正如前面所提及到，模擬信噪比對功耗非常敏感，典型情況下信噪比改進(jìn)3dB要求功率增長6dB。但是在數(shù)字域，信噪比得到一個(gè)6dB的改進(jìn)只需要在字長中增加一個(gè)比特，比起平常就處理2024字節(jié)典型設(shè)計(jì)，它具有著難以置信的高價(jià)值。此外，在模擬域中如果有兩個(gè)級聯(lián)的兩個(gè)模擬平臺，它們每個(gè)大概有100dB的信噪比，它們相結(jié)合的結(jié)果是一個(gè)僅有97dB的信噪比的信號路徑。因此，很明顯將音頻信號處理盡快移到模擬域中是很符合需要的。

快速掃描一些當(dāng)今大多數(shù)音頻系統(tǒng)架構(gòu)，就可以發(fā)現(xiàn)這的確是正在采用的方向；信號總是在芯片輸入端盡可能快地被數(shù)字化，并且僅在芯片最終輸出端才轉(zhuǎn)換回模擬信號。在大多數(shù)復(fù)雜的音頻系統(tǒng)中，在多個(gè)異步時(shí)鐘域中將會有幾個(gè)音頻流。把這些信號混頻在一起需要采樣速率轉(zhuǎn)換到一個(gè)單一的采樣域，它曾經(jīng)相對昂貴直到摩爾定律給了我們所有的這些“免費(fèi)”晶體管。第一代音樂播放移動(dòng)電話在一般來講在模擬域中將音樂和語音信號混合到一起，因?yàn)橄鄬τ谑褂孟鄬Ω缶€寬的數(shù)字門，這比數(shù)字方式的成本更低。其結(jié)果是惡化了整個(gè)信號路徑的信噪比，當(dāng)它們按路線從電路板被發(fā)送到模擬混頻器時(shí)，會帶來模擬信號衰落等額外潛在問題。同時(shí)，模擬解決方案在那時(shí)候是一個(gè)可接受的解決方案，在數(shù)字域中實(shí)現(xiàn)這種功能無論是在性能還是在成本上都明顯更加可取，當(dāng)然這種數(shù)字優(yōu)勢只會隨著技術(shù)的發(fā)展而變得更廣泛。