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我们还需要模拟电路设计师吗?

时间:2022-04-18 15:04:40 作者:BILL SCHWEBER 阅读:
凡事都有两面!如今,随着集成电路的快速发展,很多包括混合信号乃至模拟信号的电路都实现了规模集成,工程师的基本设计技能和调试技能逐渐弱化,能够真正解决设计和工程问题的工程师大大减少。作为电子工程师,该如何定位自己,爱好模拟设计的作者在本文中结合具体实例,给出了自己的独特见解。
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设计、构建、测试和改进电路——尤其是那些主要为模拟信号的电路——一直是我的一项兴趣。为了解决问题并实现不同的结果,可以通过各种方式来实现,包括利用标准的有源和无源元器件,调整工作点,平衡取舍,克服缺点,提高性能,这些工作确实让我着迷。我觉得对于许多有抱负的工程师来说,这样的电路设计工作,正是对“电子学”的一个很好阐释。

不过,最近我一直担心,这种基本的电子设计工作是否还有很大的需求和未来。目前的现实情况是,大多数电路都集成内嵌在 IC 中,无论是数字电路还是混合信号电路,甚至是模拟电路。当然,仍然有许多最小功能的 IC,如运算放大器或 LDO,以及每年销售的无数的分立晶体管,如 2N2902 和 2N2222 等。尽管如此,现在大多数电路设计工作,都包括选择合适的 IC, 并让它们按设计预期协同工作。

与其试图弄清楚如何采用更少的外围元器件,或 让IC 实现比通常预期的要多的功能,不如在实际电路中,让IC实现那些在其数据表、评估板或参考设计中列出的功能。虽然可能需要对元件值进行一些调整,比如 LED 电路中的限流电阻的调整,或RC 滤波器的时间常数设置等,但这些都是参数微调,而不是拓扑增强。

远离经典电路设计

那么,我的担心有确凿的证据支撑吗?肯定还是否定。许多爱好者和创客网站,都专注于展示如何使用标准部件、使用说明书和参考设计来实现不同项目的各种设计目标,而不是从头开始设计。此外,如果您查看 EDN 的著名和流行的设计理念部分,您会发现新条目较少。回溯到过去自己动手 (DIY) 设计电路的黄金时代,那时的论坛都致力于利用巧妙的方式设计、增强和利用广泛使用的 IC,例如经典 的555 时基电路和无源器件,因此可以实现独特的功能,并解决有趣的设计问题。

另一方面,我也确实在讨论板和聊天网站上看到了许多创新、独特甚至危险的电路(琢磨一下特斯拉线圈)。在许多情况下,这些不仅仅是电路原理图,因为电路的物理结构才是真正的挑战(图 1)。

图 1:从概念上讲,像特斯拉线圈这样的简单项目,其实其技术复杂性远远超出原理图所示。关键挑战是如何获取或构建组件,以及选择适当的物理架构。资料来源:RIM.org

远离使用小型分立元器件的经典电路设计的趋势是不可避免的,因为 IC 已经远远超过基本的构建块。它们现在是具有许多相互连接的模拟和混合信号模块的子系统和系统。此外,IC还可以更有效地实现用分立元器件难以实现的一些功能(如果不是不可能的话),参见图 2。

图 2:模拟电路设计者的经典之作——六晶体管AM无线接收机(上),已被单芯片收音机淘汰,比如具有更先进的射频前端和更复杂的信号处理模块的FM 接收机(下)。资料来源:AngleFire.com 和 Electronics-DIY.com

IC 和分立器件电路的对比

设计 IC 与设计分立电路是完全不同的学科,因为前者不仅仅是后者的集成版本。这两种方法的设计路线、约束、选项、规则、工具和基本方法都非常不同。虽然IC失去了灵活性,但可以实现不同的拓扑结构,而这对于分立元器件来说是非常困难的。

这里有一段有趣的历史。在 1950 年代发明了最重要的平面晶体管制造技术(随后导致 IC 诞生)的仙童半导体公司(也称为“叛徒八人”)的八位创始人中,其实只有一位接受过正规的电子工程和电路设计培训或具有相关经验。其余的人分别是物理学家、机械工程师、化学家和冶金学家。

维基百科有一篇关于这八个人的有趣文章,该文章具有可靠的参考资料支持。

我并不是说经典电路的减少一定是一件坏事,但我确实担心电路设计和调试技能的弱化,是否正在从根本上改变电子工程师的作用,或者说电子工程师应该如何在设计挑战中定位自己。

或许在未来,当需要解决从轻微(错误的元器件值)到严重(不合适的拓扑)的电路问题时,只能召唤一小部分称为设计专家的精英人才。届时,设计师绘制实现基本功能的电路,并将多个功能块集成到单个 IC 中,提供可靠的端到端性能,并允许 IC 用户调整工作参数,但他们却无法改变拓扑或基本功能。

居于中间的是绝大多数工程师,他们通过组合 IC、微调性能、编写软件(无法避免)、解决系统集成问题、处理 EMI/RFI 和监管要求以及类似问题,来设计他们的产品。同时,DIY 实验者将利用 Arduino、Raspberry Pi 以及类似的单元来完成他们的项目,并使用最少的外部电路。

如何看待经典电路设计在工程领域中不断变化的角色?你是担心,还是真的轻松自若?当失去专业技能时,是将其视为一个潜在的问题,还是将电路设计提升到一个新水平的机会?

(参考原文:Do we still need analog circuit designers? )

本文为《电子工程专辑》2021年4月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订

责编:Amy.wu
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