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?cè)谕瑯拥某杀鞠拢績(jī)赡昃褪咕w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?jī)赡攴槐兜木w管。

然而，歐姆定律說明了模擬設(shè)計(jì)的規(guī)格不會(huì)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(hào)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(zhǎng)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(hào)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(duì)我們身邊的物理世界做一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)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(huì)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(shí)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(hào)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(duì)功耗非常敏感，典型情況下信噪比改進(jìn)3dB要求功率增長(zhǎng)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(zhǎng)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(jí)聯(lián)的兩個(gè)模擬平臺(tái)，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(hào)路徑。因此，很明顯將音頻信號(hào)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(hào)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(hào)。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(huì)有幾個(gè)音頻流。把這些信號(hào)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(duì)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(hào)混合到一起，因?yàn)橄鄬?duì)于使用相對(duì)更大線寬的數(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(hào)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(huì)帶來模擬信號(hào)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(shì)只會(huì)隨著技術(shù)的發(fā)展而變得更廣泛。