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模拟设计为工程师软肋,教育缺失是根本

上网日期: 2006年10月09日 ?? 作者: 蒲文清 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:设计挑战? 模拟电路设计? 教育? EMI/EMC设计?

分析2304份有效调查问卷发现,工程师认为最具挑战性的设计前五位分别为EMI/EMC设计、射频设计、低噪声电路设计、信号处理和电源管理,分别占到受访工程师总数的42%、33%、30%、27%和24%,而EMI/EMC设计、射频设计、低噪声电路设计和电源管理都直接关系到模拟电路设计。模拟电路设计成为中国电子设计工程师面临的最大设计挑战

模拟电路设计挑战分析

“模拟电路设计更像一门艺术而不是一门科学。”这是业界对模拟设计特点的高度总结,而艺术的东西是需要时间去沉淀的,本次参加调查的所有回复者中,工作经验在5年以下的占55%,缺乏设计经验,尤其是对实践性很强的模拟电路设计经验的缺乏是这些工程师的普遍问题。此外,众多的半导体厂商不断推出集成各种新功能和新特性的器件,了解并掌握这些器件对于提高工程师解决问题的能力十分重要,而这本身对于设计工程师来说具有一定的挑战性。另一方面,如何适应电子产品更新换代对设计工程师设计知识和经验带来的更新需求,是所有硬件设计工程师都必须面对的问题。

1. 射频设计的多种挑战因素

射频设计挑战在通信行业更普遍存在,46%以上的通信设计工程师认为射频设计是最大的技术挑战之一。在通信产品设计中,射频问题比较多的表现在射频干扰、天线匹配、接收灵敏度、天线耦合灵敏度、器件参数一致性等问题,解决这些问题需要具有丰富的设计经验、验证测试工具和方法。

随着3C融合趋势的不断发展,越来越多的消费电子产品需要采用射频电路,这给很少接触射频的消费电子工程师带来极大的挑战。长虹数字平面显示公司一位工程师就遇到这个问题,在该公司的一款采用802.11无线传输音视频信号的产品中,如何解决射频信号带来的稳定性、EMI和噪声问题十分棘手。海信公司一位数字电视机顶盒设计师表示,如何选择满足国内有线网络特点的高频头,提高高频头输出后端电路灵敏度是设计中非常具有挑战性的问题。

射频元器件本身对射频电路设计也带来极大的挑战。重庆信威通信公司的一位工程师指出,由于元器件参数的不一致性导致产品射频接收电路的实际性能与电路设计通常有一定的差异,这种问题在设计中很难控制,只能在产品调试中发现并在后期解决。这种问题在射频设计中很普遍,如手机天线开关与放大器之间的匹配、天线耦合灵敏度、射频模块本身的质量问题等。


图1:具体设计过程中工程师面临挑战

缺乏必要的测试设备和方法是工程师在射频设计中普遍存在的问题。某知名分销商的一位高级工程师表示,通常设计中的仿真分析与实际的结果存在较大的差距,然而客户常常缺乏必要的测试设备,产品中出现因为射频设计带来的问题时很难通过有效的方式解决,而经验和试验通常成为唯一的解决办法。

2. 低噪声、电磁兼容设计:缺乏经验是最大的挑战

低噪声设计挑战更多地出现在一些小信号处理应用中,如传感应用、小信号测试、信号采集以及高端音频系统等。噪声源通常来自电源/地波动、数字信号的高频分量干扰、同步开关噪声、信号线与电源及地之间交互影响以及器件本身的热噪声。

电磁兼容和低噪声设计需要综合考虑器件本身的性能、寄生参数、产品的性能要求、成本以及系统设计中的每一个功能模块,通过布局布线优化、增加去耦电容、磁珠、磁环、屏蔽、PCB谐振抑制等措施来确保EMI在控制范围内,需要工程师具有良好的理论基础并具有丰富的实践经验,认真处理设计中的每个细节。然而,这些素养是很多电子设计工程师所不具备的,必须在不断的工程实践中培养和积累。

另外,成本因素对电磁兼容和低噪声设计带来极大的压力。华为的一位工程师表示,考虑到成本的因素, PCB的层数需要尽可能少,因此可能没有完整的地层,这对克服EMI和信号噪声带来很大的挑战性。而为了提高EMC,须要采用像滤波器、磁珠和磁环这些额外器件,对产品成本带来极大的压力。如何以最低的材料成本满足EMC要求对工程师的设计能力提出了极高的要求。

电子产品需要通过3C、CE、FCC和VCCI等认证,电磁兼容性已经成为硬件设计工程师必需考虑的问题。通标标准技术服务有限公司一位实验室经理向本刊透露,由于工程师普遍缺乏EMC的设计经验,几乎所有产品都必须进行多次设计整改才能通过认证测试,通常DVD产品的3C认证通过率仅为20%左右,彩电通过率在50%左右。

3. 电源管理挑战

工程师对电源设计知识和电源元器件缺乏了解是产生电源管理挑战的主要原因之一。TI的一位高级应用工程师指出,很多设计工程师对电源解决方案和电源技术缺乏了解,不能清楚了解电源产品架构的优缺点、特性差异,他们更多的是从价格来区分产品。

半导体技术的发展对管理带来不断的变革。当前处理器、CPU在不同工作状态和频率下,一般有至少有两个不同的工作电压需求;另外,一些先进的电源解决方案增加了很多新的特性,如利用串行接口或片上EEPROM的可编程特性等。这些新的功能特性对于习惯于传统电源设计的工程师来说,在接受这些产品架构特点和设计方法上有一定挑战性。

产品的更新换代同样给电源设计带来挑战,对那些集成媒体播放等丰富功能的便携式电子产品设计来说,低功耗的电源管理压力是传统同类产品所未有的。而在一些产品中低功耗并不是唯一的问题,创维公司的一位资深设计工程师就困扰于电源散热问题:与传统CRT彩电相比,液晶电视具有厚度规定,很难采用传统彩电所用的散热片散热方法,而背光和显示屏产生的环境温度很高,如何提高电源效率、降低电源本身发热非常重要。

此外,电源通常是主要的EMI和噪声源,面临当前更严格的电磁兼容认证要求,电源设计工程师需要在设计中抑制产生的纹波、传导、辐射干扰和噪声。

高校教育缺失之痛

对于中国电子工程师普遍面临的模拟电路设计技术挑战,山东大学一位教授指出了问题的症结:“模拟电路因为难学通常被学生戏称为‘魔鬼电路’,他们普遍偏重数字电路和软件。而且,模拟电路设计实践性很强,而高校难以提供大量的模拟电路设计操作条件。”这样的观点得到了很多高校教授的认同,天津大学电子信息工程学院一位资深教授在接受我们的电话采访时,对于中国射频技术教育的缺失痛心疾呼:“中国电子设计人才培养最差的就是射频技术,高校在射频技术的教育上快成空白了。”他指出,射频课程的教学需要配合大量的实验课程,需要投入大量的高端仪器,而国内高校普遍都严重缺乏这方面的投入。

高校教育的缺位导致设计工程师普遍在模拟设计上基础薄弱。在对参与本次调查的工程师抽样回访中,就射频设计、电磁兼容、低噪声电路设计和电源管理几个反馈最多的设计挑战问题,听到最多的就是“没有接触过”、“缺乏经验”、“积累不够”、“缺乏实践指导类书籍”。一位开发ZigBee工业应用产品的工程师坦言,他们对射频技术缺乏了解,甚至对一些基本的概念都不清楚。而这些设计团队最终的解决办法通常就是采用完整的芯片组方案和参考设计以及半导体厂商/分销商的技术支持,而这样一来不可避免会牺牲产品设计的灵活性、成本等,同时难以实现设计经验的积累。

作者:蒲文清






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