从非常宏观的角度来看,芯片可以分成数字芯片和模拟芯片两个大类。我之前写过的几乎所有和芯片相关的内容都是和数字芯片相关的,比如FPGA、CPU、GPU等等。这篇文章我们换换口味,来一起看一下和模拟芯片相关的一些有意思的内容。

 

模拟信号 vs 数字信号

模拟芯片和数字芯片的最主要的区别,就在于处理的信号不同。顾名思义,模拟芯片处理的是模拟信号,而数字芯片处理的是数字信号。这两种信号类型有着非常明显的区别,但也有着非常紧密的联系。

 

如果从历史的进程来看,人类了解并且使用模拟信号的时间,肯定长于数字信号。我们身处的环境里就充满了模拟信号,比如我们人体的各种视觉听觉触觉等等的感知,还有外界环境的各种温度、湿度、电磁波等等。事实上我们在很多领域也在使用模拟信号,比如很多年前我们用的磁带和磁盘,还有现在很多显示器上还有的VGA接口,其实都是使用的模拟信号。

 

模拟信号最主要的特点,就是它是连续变化的。也就是说,它的强度在一定的时间范围内可以有无限多个不同的取值。

 

相比之下,数字信号的变化是不连续的,或者说是离散的。比如在计算机里我们就使用0和1两个数,任何的逻辑功能和计算都可以通过0和1这两个数的排列组合实现。和前面说的磁盘、磁带还有VGA接口相比,现在我们用的flash闪存,还有这个HDMI接口等等,使用和处理的都是数字信号。 

 

 

数字信号最大的好处就是能够非常方便的进行存储、传输和处理。因为它只需要处理0和1两个数字,所以理论上你把它复制成千上万份,它每一份的内容都是相同的。而且如果把它传输很远的距离,只要它这个0和1的排列方式不变,它所代表的内容就是不变的。所以数字信号的这些特性,也是构建我们现代人类文明的基石。

 

但是这并不是说我们就不需要模拟信号了,就像前面说过的,我们的各种感官接收的都是模拟信号,我们所在的环境里自然存在的各种声光电也是模拟信号,这些都需要模拟芯片来进行处理。所以我们不管是在手机,还是在汽车或者医疗设备里,都能看到非常多的模拟芯片。

 

模拟信号的“杀手”:电磁干扰

和数字信号相比,模拟信号的一个最大的问题就是容易受到干扰。如果我们把手机放在音箱旁边,很有可能就会听到哔哔的声音,这个就是手机信号对播放器产生的干扰。从技术的角度看,这种干扰其实是电磁干扰,英文是Electromagnetic Interference,简称是EMI。简单来说,它的本质就是和电磁感应有关。

 

值得注意的是,电磁感应在很多情况下是好事,可以说我们的日常生活中都充满了电磁感应的应用,比如手机和各种无线通信设备里的天线,就是将接收到的电磁波转换成电信号,或者把电信号转换成电磁波发射出去。 

 

 

但是在我们的实际电路中,在各种电路元件之间、以及导线上都会不断发生各种电流电压的变化,这样其实也会由于电磁感应不断产生各种电磁波,而这种电磁波对于我们的那些正常的电路功能来说是有害的,这也就是前面说的电磁干扰。

 

电磁干扰很可能会对关键的电路功能造成负面的影响。比如在医疗电子里我们肯定不希望在做手术的时候,那些测量生命体征的传感器和电路受到电磁干扰而输出错误的心跳呼吸血压等等这些数据。或者在我们开车的时候,我们也肯定不希望汽车里的那些电子系统——包括控制发动机的、控制刹车转向的,还有控制各种雷达导航的电子系统受到电磁干扰而乱搞。所以通常在汽车和工业应用里,都有和电磁干扰EMI相关的行业标准。

 

电源管理芯片中的低EMI设计

我们再举个例子,对于模拟芯片来说,它的一个非常重要的应用领域就是电源管理。比如对于模拟芯片的巨头公司德州仪器来说,在它的整个产品组合里,电源管理芯片是非常重要的一部分。电源管理芯片有很多种,比如直流/直流转换,也就是DC/DC开关稳压器,包括各种升压降压反相,还有交流和直流的转换,当然还有很多其他的和电源相关的器件和芯片。毫不夸张的说,只要有电子设备存在的地方,就需要有电源管理芯片。

 

而且在一个完整的电子系统里,比如前面提到的汽车里,可能有很多不同的功能模块,它们使用的电压和功耗都不一定相同,所以在系统里还很可能存在许多个电源管理芯片。特别是现在ADAS技术的不断发展,在汽车里集成了越来越多的传感器、摄像头、计算机之类的电子系统,所以对于电源管理的需求也在不断增加。

 

但是,电源系统里的这些电压电流的转换,就会产生大量的电磁辐射,然后会反过来极大的影响和干扰电路其他部分的功能和可靠性。这就把我们推上了一个两难的困境,比如对于一个医疗设备或者自动驾驶汽车来说,我们一方面需要在有限的空间里塞进去更多的电子器件和系统,来完成更多的功能;另一方面,加进去的电子器件越多,驱动这些电路的的电源系统会产生更多的电磁辐射和干扰。

 

所以,在汽车和工业应用设计的电源系统里,通常都有着比较严格的关于电磁辐射的行业标准,来保证系统能够正常运行。比如国际无线电干扰特别委员会的CISPR 25 Class 5标准,就对汽车环境下的低EMI设计提出了严苛的行业要求。为了满足这些行业标准,模拟芯片工程师就需要不断去探索和研发降低电磁辐射的方法,从而最大限度的减少开关电源对其他系统组件的干扰。

 

再拿TI德州仪器来举例,他们在最新发布的两个DC/DC控制器LM25149和LM25149-Q1里,就主要采用了两个方法来降低电源芯片产生的电磁干扰。一个就是采用了有源滤波器,另外一个就是双随机展频、也就是DRSS技术。

 

DRSS这个技术,结合了低频三角调制以及高频伪随机调制这两种调制方式,优化了低频和高频中EMI的性能。这部分内容比较抽象,在这篇文章里就不展开了。我们主要来看看这个有源滤波器。它的原理其实比较直观,就是引入了一个有源滤波电路,它可以感应输入总线上的电压,并且产生相反的电流,来和电源开关产生的EMI电流相抵消,这样就实现了对电磁辐射的滤波作用。

 

这个原理其实就类似于我们很多人都在用的主动降噪耳机。在降噪耳机里有一个传感器可以采集和分析周围环境里的那些噪声,然后在耳机里产生相反的声波,这样就可以和噪声的声波相互抵消掉,从而达到降噪的目的。

 

 

事实上,这种滤波方式也可以使用无源滤波器来实现,这个也是传统的低EMI设计通常采用的方法。但是无源滤波器非常大,甚至会占整个电源方案总体积的30%。所以在芯片内部集成有源滤波器之后,不但能够对电磁辐射起到很好的消减作用,还能极大的减少器件的尺寸,这样就实现了EMI和面积的双重优化,进而降低成本,节省宝贵的电路空间。

 

 

根据TI的数据,在440 kHz频率下,采用这种方案最多可以将前端EMI滤波器的面积和体积分别缩减近50%和75%以上,并且将EMI减少高达50dBuV。和采用典型无源滤波器的设计相比,集成式有源EMI滤波器的设计可以帮助将EMI减少20dBuV。此外,前面介绍的DRSS技术还能帮助在低频和高频频带上将EMI进一步降低5dBuV。

 

结语

事实上,这篇文章里的内容只是关于模拟芯片非常小的一部分。不过就算是管中窥豹,模拟IC的博大精深应该也可见一斑。

 

网上有很多人在讨论模拟工程师和数字工程师哪个更高端、或者技术含量更高,也有很多学生朋友在纠结未来到底应该走哪条路,我也收到过很多类似的问题。我个人觉得数字模拟一直都是相辅相成、缺一不可的。比如虽然我主要做数字电路相关的工作,但是也会在工作中接触到很多和模拟相关的内容,就像是文章里介绍的电源和电磁干扰等等。

 

知乎里有一个问题,就是问数字模拟电路芯片的区别,我想借用这里最高赞的回答,也是我的好兄弟Tyson说的一句话,不管是走那条路都需要平时不断的积累和学习,我也会和大家一起努力加油成长。 

 

 

(注:本文仅代表作者个人观点,与任职单位无关。)

 

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