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 vs 數(shù)字信號

模擬芯片和數(shù)字芯片的最主要的區(qū)別，就在于處理的信號不同。顧名思義，模擬芯片處理的是模擬信號，而數(shù)字芯片處理的是數(shù)字信號。這兩種信號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的時間，肯定長于數(shù)字信號。我們身處的環(huán)境里就充滿了模擬信號，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。事實上我們在很多領(lǐng)域也在使用模擬信號，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，其實都是使用的模擬信號。

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

相比之下，數(shù)字信號的變化是不連續(xù)的，或者說是離散的。比如在計算機里我們就使用0和1兩個數(shù)，任何的邏輯功能和計算都可以通過0和1這兩個數(shù)的排列組合實現(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HDMI接口等等，使用和處理的都是數(shù)字信號。 

數(shù)字信號最大的好處就是能夠非常方便的進(jìn)行存儲、傳輸和處理。因為它只需要處理0和1兩個數(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了，就像前面說過的，我們的各種感官接收的都是模擬信號，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，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，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。

模擬信號的“殺手”：電磁干擾

和數(shù)字信號相比，模擬信號的一個最大的問題就是容易受到干擾。如果我們把手機放在音箱旁邊，很有可能就會聽到嗶嗶的聲音，這個就是手機信號對播放器產(chǎn)生的干擾。從技術(shù)的角度看，這種干擾其實是電磁干擾，英文是Electromagnetic Interference，簡稱是EMI。簡單來說，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，或者把電信號轉(zhuǎn)換成電磁波發(fā)射出去。 

但是在我們的實際電路中，在各種電路元件之間、以及導(dǎo)線上都會不斷發(fā)生各種電流電壓的變化，這樣其實也會由于電磁感應(yīng)不斷產(chǎn)生各種電磁波，而這種電磁波對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。

電磁干擾很可能會對關(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)的時候，那些測量生命體征的傳感器和電路受到電磁干擾而輸出錯誤的心跳呼吸血壓等等這些數(shù)據(jù)?；蛘咴谖覀冮_車的時候，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)動機的、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

我們再舉個例子，對于模擬芯片來說，它的一個非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域就是電源管理。比如對于模擬芯片的巨頭公司德州儀器來說，在它的整個產(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。

而且在一個完整的電子系統(tǒng)里，比如前面提到的汽車?yán)铮赡苡泻芏嗖煌墓δ苣K，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、計算機之類的電子系統(tǒng)，所以對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，就會產(chǎn)生大量的電磁輻射，然后會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兩難的困境，比如對于一個醫(yī)療設(shè)備或者自動駕駛汽車來說，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)動這些電路的的電源系統(tǒng)會產(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)能夠正常運行。比如國際無線電干擾特別委員會的CISPR 25 Class 5標(biāo)準(zhǔn)，就對汽車環(huán)境下的低EMI設(shè)計提出了嚴(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)電源對其他系統(tǒng)組件的干擾。

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

DRSS這個技術(shù)，結(jié)合了低頻三角調(diào)制以及高頻偽隨機調(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有源濾波器。它的原理其實比較直觀，就是引入了一個有源濾波電路，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，這樣就實現(xiàn)了對電磁輻射的濾波作用。

這個原理其實就類似于我們很多人都在用的主動降噪耳機。在降噪耳機里有一個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。

事實上，這種濾波方式也可以使用無源濾波器來實現(xiàn)，這個也是傳統(tǒng)的低EMI設(shè)計通常采用的方法。但是無源濾波器非常大，甚至?xí)颊麄€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)計相比，集成式有源EMI濾波器的設(shè)計可以幫助將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不斷的積累和學(xué)習(xí)，我也會和大家一起努力加油成長。 

（注：本文僅代表作者個人觀點，與任職單位無關(guān)。）

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