模擬設(shè)計(jì)為工程師軟肋，教育缺失是根本

分析2304份有效調(diào)查問(wèn)卷發(fā)現(xiàn)，工程師認(rèn)為最具挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)前五位分別為EMI/EMC設(shè)計(jì)、射頻設(shè)計(jì)、低噪聲電路設(shè)計(jì)、信號(hào)處理和電源管理，分別占到受訪工程師總數(shù)的42%、33%、30%、27%和24%，而EMI/EMC設(shè)計(jì)、射頻設(shè)計(jì)、低噪聲電路設(shè)計(jì)和電源管理都直接關(guān)系到模擬電路設(shè)計(jì)。模擬電路設(shè)計(jì)成為中國(guó)電子設(shè)計(jì)工程師面臨的最大設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

模擬電路設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)分析

“模擬電路設(shè)計(jì)更像一門藝術(shù)而不是一門科學(xué)?！边@是業(yè)界對(duì)模擬設(shè)計(jì)特點(diǎn)的高度總結(jié)，而藝術(shù)的東西是需要時(shí)間去沉淀的，本次參加調(diào)查的所有回復(fù)者中，工作經(jīng)驗(yàn)在5年以下的占55%，缺乏設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，尤其是對(duì)實(shí)踐性很強(qiáng)的模擬電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的缺乏是這些工程師的普遍問(wèn)題。此外，眾多的半導(dǎo)體廠商不斷推出集成各種新功能和新特性的器件，了解并掌握這些器件對(duì)于提高工程師解決問(wèn)題的能力十分重要，而這本身對(duì)于設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)具有一定的挑戰(zhàn)性。另一方面，如何適應(yīng)電子產(chǎn)品更新?lián)Q代對(duì)設(shè)計(jì)工程師設(shè)計(jì)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)帶來(lái)的更新需求，是所有硬件設(shè)計(jì)工程師都必須面對(duì)的問(wèn)題。

1． 射頻設(shè)計(jì)的多種挑戰(zhàn)因素

射頻設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)在通信行業(yè)更普遍存在，46%以上的通信設(shè)計(jì)工程師認(rèn)為射頻設(shè)計(jì)是最大的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。在通信產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，射頻問(wèn)題比較多的表現(xiàn)在射頻干擾、天線匹配、接收靈敏度、天線耦合靈敏度、器件參數(shù)一致性等問(wèn)題，解決這些問(wèn)題需要具有豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、驗(yàn)證測(cè)試工具和方法。

隨著3C融合趨勢(shì)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的消費(fèi)電子產(chǎn)品需要采用射頻電路，這給很少接觸射頻的消費(fèi)電子工程師帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。長(zhǎng)虹數(shù)字平面顯示公司一位工程師就遇到這個(gè)問(wèn)題，在該公司的一款采用802.11無(wú)線傳輸音視頻信號(hào)的產(chǎn)品中，如何解決射頻信號(hào)帶來(lái)的穩(wěn)定性、EMI和噪聲問(wèn)題十分棘手。海信公司一位數(shù)字電視機(jī)頂盒設(shè)計(jì)師表示，如何選擇滿足國(guó)內(nèi)有線網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的高頻頭，提高高頻頭輸出后端電路靈敏度是設(shè)計(jì)中非常具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。

射頻元器件本身對(duì)射頻電路設(shè)計(jì)也帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。重慶信威通信公司的一位工程師指出，由于元器件參數(shù)的不一致性導(dǎo)致產(chǎn)品射頻接收電路的實(shí)際性能與電路設(shè)計(jì)通常有一定的差異，這種問(wèn)題在設(shè)計(jì)中很難控制，只能在產(chǎn)品調(diào)試中發(fā)現(xiàn)并在后期解決。這種問(wèn)題在射頻設(shè)計(jì)中很普遍，如手機(jī)天線開(kāi)關(guān)與放大器之間的匹配、天線耦合靈敏度、射頻模塊本身的質(zhì)量問(wèn)題等。

缺乏必要的測(cè)試設(shè)備和方法是工程師在射頻設(shè)計(jì)中普遍存在的問(wèn)題。某知名分銷商的一位高級(jí)工程師表示，通常設(shè)計(jì)中的仿真分析與實(shí)際的結(jié)果存在較大的差距，然而客戶常常缺乏必要的測(cè)試設(shè)備，產(chǎn)品中出現(xiàn)因?yàn)樯漕l設(shè)計(jì)帶來(lái)的問(wèn)題時(shí)很難通過(guò)有效的方式解決，而經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)通常成為唯一的解決辦法。

2． 低噪聲、電磁兼容設(shè)計(jì)：缺乏經(jīng)驗(yàn)是最大的挑戰(zhàn)

低噪聲設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)更多地出現(xiàn)在一些小信號(hào)處理應(yīng)用中，如傳感應(yīng)用、小信號(hào)測(cè)試、信號(hào)采集以及高端音頻系統(tǒng)等。噪聲源通常來(lái)自電源/地波動(dòng)、數(shù)字信號(hào)的高頻分量干擾、同步開(kāi)關(guān)噪聲、信號(hào)線與電源及地之間交互影響以及器件本身的熱噪聲。

電磁兼容和低噪聲設(shè)計(jì)需要綜合考慮器件本身的性能、寄生參數(shù)、產(chǎn)品的性能要求、成本以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的每一個(gè)功能模塊，通過(guò)布局布線優(yōu)化、增加去耦電容、磁珠、磁環(huán)、屏蔽、PCB諧振抑制等措施來(lái)確保EMI在控制范圍內(nèi)，需要工程師具有良好的理論基礎(chǔ)并具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)真處理設(shè)計(jì)中的每個(gè)細(xì)節(jié)。然而，這些素養(yǎng)是很多電子設(shè)計(jì)工程師所不具備的，必須在不斷的工程實(shí)踐中培養(yǎng)和積累。

另外，成本因素對(duì)電磁兼容和低噪聲設(shè)計(jì)帶來(lái)極大的壓力。華為的一位工程師表示，考慮到成本的因素， PCB的層數(shù)需要盡可能少，因此可能沒(méi)有完整的地層，這對(duì)克服EMI和信號(hào)噪聲帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)性。而為了提高EMC，須要采用像濾波器、磁珠和磁環(huán)這些額外器件，對(duì)產(chǎn)品成本帶來(lái)極大的壓力。如何以最低的材料成本滿足EMC要求對(duì)工程師的設(shè)計(jì)能力提出了極高的要求。

電子產(chǎn)品需要通過(guò)3C、CE、FCC和VCCI等認(rèn)證，電磁兼容性已經(jīng)成為硬件設(shè)計(jì)工程師必需考慮的問(wèn)題。通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)有限公司一位實(shí)驗(yàn)室經(jīng)理向本刊透露，由于工程師普遍缺乏EMC的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，幾乎所有產(chǎn)品都必須進(jìn)行多次設(shè)計(jì)整改才能通過(guò)認(rèn)證測(cè)試，通常DVD產(chǎn)品的3C認(rèn)證通過(guò)率僅為20%左右，彩電通過(guò)率在50%左右。

3． 電源管理挑戰(zhàn)

工程師對(duì)電源設(shè)計(jì)知識(shí)和電源元器件缺乏了解是產(chǎn)生電源管理挑戰(zhàn)的主要原因之一。TI的一位高級(jí)應(yīng)用工程師指出，很多設(shè)計(jì)工程師對(duì)電源解決方案和電源技術(shù)缺乏了解，不能清楚了解電源產(chǎn)品架構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)、特性差異，他們更多的是從價(jià)格來(lái)區(qū)分產(chǎn)品。

半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展對(duì)管理帶來(lái)不斷的變革。當(dāng)前處理器、CPU在不同工作狀態(tài)和頻率下，一般有至少有兩個(gè)不同的工作電壓需求；另外，一些先進(jìn)的電源解決方案增加了很多新的特性，如利用串行接口或片上EEPROM的可編程特性等。這些新的功能特性對(duì)于習(xí)慣于傳統(tǒng)電源設(shè)計(jì)的工程師來(lái)說(shuō)，在接受這些產(chǎn)品架構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法上有一定挑戰(zhàn)性。

產(chǎn)品的更新?lián)Q代同樣給電源設(shè)計(jì)帶來(lái)挑戰(zhàn)，對(duì)那些集成媒體播放等豐富功能的便攜式電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，低功耗的電源管理壓力是傳統(tǒng)同類產(chǎn)品所未有的。而在一些產(chǎn)品中低功耗并不是唯一的問(wèn)題，創(chuàng)維公司的一位資深設(shè)計(jì)工程師就困擾于電源散熱問(wèn)題：與傳統(tǒng)CRT彩電相比，液晶電視具有厚度規(guī)定，很難采用傳統(tǒng)彩電所用的散熱片散熱方法，而背光和顯示屏產(chǎn)生的環(huán)境溫度很高，如何提高電源效率、降低電源本身發(fā)熱非常重要。

此外，電源通常是主要的EMI和噪聲源，面臨當(dāng)前更嚴(yán)格的電磁兼容認(rèn)證要求，電源設(shè)計(jì)工程師需要在設(shè)計(jì)中抑制產(chǎn)生的紋波、傳導(dǎo)、輻射干擾和噪聲。

高校教育缺失之痛

對(duì)于中國(guó)電子工程師普遍面臨的模擬電路設(shè)計(jì)技術(shù)挑戰(zhàn)，山東大學(xué)一位教授指出了問(wèn)題的癥結(jié)：“模擬電路因?yàn)殡y學(xué)通常被學(xué)生戲稱為‘魔鬼電路’，他們普遍偏重?cái)?shù)字電路和軟件。而且，模擬電路設(shè)計(jì)實(shí)踐性很強(qiáng)，而高校難以提供大量的模擬電路設(shè)計(jì)操作條件?！边@樣的觀點(diǎn)得到了很多高校教授的認(rèn)同，天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院一位資深教授在接受我們的電話采訪時(shí)，對(duì)于中國(guó)射頻技術(shù)教育的缺失痛心疾呼：“中國(guó)電子設(shè)計(jì)人才培養(yǎng)最差的就是射頻技術(shù)，高校在射頻技術(shù)的教育上快成空白了?！彼赋?，射頻課程的教學(xué)需要配合大量的實(shí)驗(yàn)課程，需要投入大量的高端儀器，而國(guó)內(nèi)高校普遍都嚴(yán)重缺乏這方面的投入。

高校教育的缺位導(dǎo)致設(shè)計(jì)工程師普遍在模擬設(shè)計(jì)上基礎(chǔ)薄弱。在對(duì)參與本次調(diào)查的工程師抽樣回訪中，就射頻設(shè)計(jì)、電磁兼容、低噪聲電路設(shè)計(jì)和電源管理幾個(gè)反饋?zhàn)疃嗟脑O(shè)計(jì)挑戰(zhàn)問(wèn)題，聽(tīng)到最多的就是“沒(méi)有接觸過(guò)”、“缺乏經(jīng)驗(yàn)”、“積累不夠”、“缺乏實(shí)踐指導(dǎo)類書籍”。一位開(kāi)發(fā)ZigBee工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品的工程師坦言，他們對(duì)射頻技術(shù)缺乏了解，甚至對(duì)一些基本的概念都不清楚。而這些設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)最終的解決辦法通常就是采用完整的芯片組方案和參考設(shè)計(jì)以及半導(dǎo)體廠商/分銷商的技術(shù)支持，而這樣一來(lái)不可避免會(huì)犧牲產(chǎn)品設(shè)計(jì)的靈活性、成本等，同時(shí)難以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的積累。