模拟电路设计方法

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模拟电路设计方法范文第1篇

关键词：IP技术 模拟集成电路 流程

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）03（b）-00-02

1 模拟集成电路设计的意义

当前以信息技术为代表的高新技术突飞猛进。以信息产业发展水平为主要特征的综合国力竞争日趋激烈，集成电路（IC，Integrated circuit）作为当今信息时代的核心技术产品，其在国民经济建设、国防建设以及人类日常生活的重要性已经不言

而喻。

集成电路技术的发展经历了若干发展阶段。20世纪50年代末发展起来的属小规模集成电路（SSI），集成度仅100个元件；60年展的是中规模集成电路（MSI），集成度为1000个元件；70年代又发展了大规模集成电路，集成度大于1000个元件；70年代末进一步发展了超大规模集成电路（LSI），集成度在105个元件；80年代更进一步发展了特大规模集成电路，集成度比VLSI又提高了一个数量级，达到106个元件以上。这些飞跃主要集中在数字领域。

（1）自然界信号的处理：自然界的产生的信号，至少在宏观上是模拟量。高品质麦克风接收乐队声音时输出电压幅值从几微伏变化到几百微伏。视频照相机中的光电池的电流低达每毫秒几个电子。地震仪传感器产生的输出电压的范围从地球微小振动时的几微伏到强烈地震时的几百毫伏。由于所有这些信号都必须在数字领域进行多方面的处理，所以我们看到，每个这样的系统都要包含一个模一数转换器（AD，C）。

（2）数字通信：由于不同系统产生的二进制数据往往要传输很长的距离。一个高速的二进制数据流在通过一个很长的电缆后，信号会衰减和失真，为了改善通信质量，系统可以输入多电平信号，而不是二进制信号。现代通信系统中广泛采用多电平信号，这样，在发射器中需要数一模转换器（DAC）把组合的二进制数据转换为多电平信号，而在接收器中需要使用模一数转换器（ADC）以确定所传输的电平。

（3）磁盘驱动电子学计算机硬盘中的数据采用磁性原理以二进制形式存储。然而，当数据被磁头读取并转换为电信号时，为了进一步的处理，信号需要被放大、滤波和数字化。

（4）无线接收器：射频接收器的天线接收到的信号，其幅度只有几微伏，而中心频率达到几GHz。此外，信号伴随很大的干扰，因此接收器在放大低电平信号时必须具有极小噪声、工作在高频并能抑制大的有害分量。这些都对模拟设计有很大的挑战性。

（5）传感器：机械的、电的和光学的传感器在我们的生活中起着重要的作用。例如，视频照相机装有一个光敏二极管阵列，以将像点转换为电流；超声系统使用声音传感器产生一个与超声波形幅度成一定比例的电压。放大、滤波和A/D转换在这些应用中都是基本的功能。

（6）微处理器和存储器：大量模拟电路设计专家参与了现代的微处理器和存储器的设计。许多涉及到大规模芯片内部或不同芯片之间的数据和时钟的分布和时序的问题要求将高速信号作为模拟波形处理。而且芯片上信号间和电源间互连中的非理想性以及封装寄生参数要求对模拟电路设计有一个完整的理解。半导体存储器广泛使用的高速/读出放大器0也不可避免地要涉及到许多模拟技术。因此人们经常说高速数字电路设计实际上是模拟电路的

设计。

2 模拟集成电路设计流程概念

在集成电路工艺发展和市场需求的推动下，系统芯片SOC和IP技术越来越成为IC业界广泛关注的焦点。随着集成技术的不断发展和集成度的迅速提高，集成电路芯片的设计工作越来越复杂，因而急需在设计方法和设计工具这两方面有一个大的变革，这就是人们经常谈论的设计革命。各种计算机辅助工具及设计方法学的诞生正是为了适应这样的要求。

一方面，面市时间的压力和新的工艺技术的发展允许更高的集成度，使得设计向更高的抽象层次发展，只有这样才能解决设计复杂度越来越高的问题。数字集成电路的发展证明了这一点：它很快的从基于单元的设计发展到基于模块、IP和IP复用的

设计。

另一方面，工艺尺寸的缩短使得设计向相反的方向发展：由于物理效应对电路的影响越来越大，这就要求在设计中考虑更低层次的细节问题。器件数目的增多、信号完整性、电子迁移和功耗分析等问题的出现使得设计日益复杂。

3 模拟集成电路设计流程

3.1 模拟集成电路设计系统环境

集成电路的设计由于必须通过计算机辅助完成整个过程，所以对软件和硬件配置都有较高的要求。

（1）模拟集成电路设计EDA工具种类及其举例

设计资料库―Cadence Design Framework11

电路编辑软件―Text editor/Schematic editor

电路模拟软件―Spectre，HSPICE，Nanosim

版图编辑软件―Cadence virtuoso，Laker

物理验证软件―Diva，Dracula，Calibre，Hercules

（2）系统环境

工作站环境；Unix-Based作业系统；由于EDA软件的运行和数据的保存需要稳定的计算机环境，所以集成电路的设计通常采用Unix-Based的作业系统，如图1所示的工作站系统。现在的集成电路设计都是团队协作完成的，甚至工程师们在不同的地点进行远程协作设计。EDA软件、工作站系统的资源合理配置和数据库的有效管理将是集成电路设计得以完成的重要保障。

3.2 模拟集成电路设计流程概述

根据处理信号类型的不同，集成电路一般可以分为数字电路、模拟电路和数模混合集成电路，它们的设计方法和设计流程是不同的，在这部分和以后的章节中我们将着重讲述模拟集成电路的设计方法和流程。模拟集成电路设计是一种创造性的过程，它通过电路来实现设计目标，与电路分析刚好相反。电路的分析是一个由电路作为起点去发现其特性的过程。电路的综合或者设计则是从一套期望的性能参数开始去寻找一个令人满意的电路，对于一个设计问题，解决方案可能不是唯一的，这样就给予了设计者去创造的机会。

模拟集成电路设计包括若干个阶段，设计模拟集成电路一般的过程。

（l）系统规格定义；（2）电路设计；（3）电路模拟；（4）版图实现；（5）物理验证；（6）参数提取后仿真；（7）可靠性分析；（8）芯片制造；（9）测试。

除了制造阶段外，设计师应对其余各阶段负责。设计流程从一个设计构思开始，明确设计要求和进行综合设计。为了确认设计的正确性，设计师要应用模拟方法评估电路的性能。

这时可能要根据模拟结果对电路作进一步改进，反复进行综合和模拟。一旦电路性能的模拟结果能满足设计要求就进行另一个主要设计工作―电路的几何描述（版图设计）。版图完成并经过物理验证后需要将布局、布线形成的寄生效应考虑进去再次进行计算机模拟。如果模拟结果也满足设计要求就可以进行制造了。

3.3 模拟集成电路设计流程分述

（1）系统规格定义

这个阶段系统工程师把整个系统和其子系统看成是一个个只有输入输出关系的/黑盒子，不仅要对其中每一个进行功能定义，而且还要提出时序、功耗、面积、信噪比等性能参数的范围要求。

（2）电路设计

根据设计要求，首先要选择合适的工艺制程；然后合理的构架系统，例如并行的还是串行的，差分的还是单端的；依照架构来决定元件的组合，例如，电流镜类型还是补偿类型；根据交、直流参数决定晶体管工作偏置点和晶体管大小；依环境估计负载形态和负载值。由于模拟集成电路的复杂性和变化的多样性，目前还没有EDA厂商能够提供完全解决模拟集成电路设计自动化的工具，此环节基本上通过手工计算来完成的。

（3）电路模拟

设计工程师必须确认设计是正确的，为此要基于晶体管模型，借助EDA工具进行电路性能的评估，分析。在这个阶段要依据电路仿真结果来修改晶体管参数；依制程参数的变异来确定电路工作的区间和限制；验证环境因素的变化对电路性能的影响；最后还要通过仿真结果指导下一步的版图实现，例如，版图对称性要求，电源线的宽度。

（4）版图实现

电路的设计及模拟决定电路的组成及相关参数，但并不能直接送往晶圆代工厂进行制作。设计工程师需提供集成电路的物理几何描述称为版图。这个环节就是要把设计的电路转换为图形描述格式。模拟集成电路通常是以全定制方法进行手工的版图设计。在设计过程中需要考虑设计规则、匹配性、噪声、串扰、寄生效应、防门锁等对电路性能和可制造性的影响。虽然现在出现了许多高级的全定制辅助设计方法，仍然无法保证手工设计对版图布局和各种效应的考虑全面性。

（5）物理验证

版图的设计是否满足晶圆代工厂的制造可靠性需求？从电路转换到版图是否引入了新的错误？物理验证阶段将通过设计规则检查（DRC，Design Rule Cheek）和版图网表与电路原理图的比对（VLS，Layout Versus schematic）解决上述的两类验证问题。几何规则检查用于保证版图在工艺上的可实现性。它以给定的设计规则为标准，对最小线宽、最小图形间距、孔尺寸、栅和源漏区的最小交叠面积等工艺限制进行检查。版图网表与电路原理图的比对用来保证版图的设计与其电路设计的匹配。VLS工具从版图中提取包含电气连接属性和尺寸大小的电路网表，然后与原理图得到的网表进行比较，检查两者是否一致。

参考文献

模拟电路设计方法范文第2篇

CAD软件系统是当下电路设计软件中图形设计功能作为全面的应用软件，其在电子电路设计教学中的应用也十分广泛。在电路设计教学的开展中，CAD软件为课程开展提供了绘图，几何造型以及特征计算等功能，在进行电路设计过程中，教师能够通过带领学生进行元件设计，是学生进一步掌握不同电路元件的功能，并以此为基础，使学生利用不同元件的特性进行电路的功能设计。CAD软件在为电路教学设置元件设计功能的同时，也自带有元件库，电路的实际设计可以直接对元件进行调用，这也能够有效节约电路原理图设计时间。在利用该软件开展教学时，教师还要强调实际元件和虚拟元件的区别，并通过在教学过程中着重强调，以保证学生实际电路连接的准确性和安全性。

2EWB软件在教学中的具体应用分析

EWB计算机软件是一种用于电路设计与仿真的EDA工具软件，与CAD软件不同，EWB软件中包含更多的高品质模拟电路元件和组件模型。教师在开展电子电路设计教学时能够在元件调用的基础上，引导学生利用软件进行多种功能仿真，如对以连接的电路结构进行交流频率特性分析，静态分析和参数扫描分析等。EWB软件主要结构包括函数信号发生器和仿真电路模板等，学生能够在课程设计中通过元件调用和参数整合，完成电路设计，并通过将电路系统调用与仿真模板中，对其进行功能测试。在电路仿真教学过程中，教师应首先开展信号发生器教学，使得学生能够依据实际电路结构设计选定对应的激励信号，以此保证电子电路结构仿真结构的准确性和有效性。

3PSPICE仿真软件在电路设计教学中的应用

作为现阶段不同类型电路分析与设计仿真软件之一，PSPICE软件具有十分优越的实用性能。该软件主要包括电子线路仿真，图形方式输出，模拟计算电路功能和网表生成等功能，不仅能够对模拟电子线路进行仿真与模式实验，也能够与实体电路结构进行连接并开展模拟仿真。在电子电路的设计教学中，教师要将课程演示重点放在利用PSPICE软件模拟连接电路上，使学生能够在掌握元件参数的基础上，更为全面的掌握电路波形和电压电流值的检测方法。PSPICE仿真软件的应用，也为电路设计教学中元件参数的优化提供了科学有效的途经，教师通过对比软件中不同模拟元件的功能，以选择灵敏度高和容差关系稳定的软件开展教学，这能够极大的优化电路设计中的元件参数，并使得电子电路设计的教学质量得到有效提升。

4结束语

模拟电路设计方法范文第3篇

关键词：可进化硬件遗传算法电子电路设计现场可编程门阵列

在人类的科学研究中，有不少研究成果得益于大自然的启发，例如仿生学技术。随着计算机技术和电子技术的发展，许多的科学研究越来越与生物学紧密相联。在人工智能方面，已经实现了能用计算机和电子设备模仿人类生物体的看、听、和思维等能力；另一方面，受进化论的启发，科学家们提出了基于生物学的电子电路设计技术，将进化理论的方法应用于电子电路的设计中，使得新的电子电路能像生物一样具有对环境变化的适应、免疫、自我进化及自我复制等特性,用来实现高适应、高可靠的电子系统。这类电子电路常称为可进化硬件(EHW,EvolvableHardWare)。本文主要介绍可进化硬件EHW的机理及其相关技术并根据这种机理对高可靠性电子电路的设计进行讨论。

1EHW的机理及相关技术

计算机系统所要求解决的问题日趋复杂，与此同时，计算机系统本身的结构也越来越复杂。而复杂性的提高就意味着可靠性的降低，实践经验表明，要想使如此复杂的实时系统实现零出错率几乎是不可能的，因此人们寄希望于系统的容错性能：即系统在出现错误的情况下的适应能力。对于如何同时实现系统的复杂性和可靠性，大自然给了我们近乎完美的蓝本。人体是迄今为止我们所知道的最复杂的生物系统，通过千万年基因进化，使得人体可以在某些细胞发生病变的情况下，不断地进行自我诊断，并最终自愈。因此借用这一机理，科学家们研究出可进化硬件（EHW,EvolvableHardWare），理想的可进化硬件不但同样具有自我诊断能力，能够通过自我重构消除错误，而且可以在设计要求或系统工作环境发生变化的情况下，通过自我重构来使电路适应这种变化而继续正常工作。严格地说，EHW具有两个方面的目的，一方面是把进化算法应用于电子电路的设计中；另一方面是硬件具有通过动态地、自主地重构自己实现在线适应变化的能力。前者强调的是进化算法在电子设计中可替代传统基于规范的设计方法；后者强调的是硬件的可适应机理。当然二者的区别也是很模糊的。本文主要讨论的是EHW在第一个方面的问题。

对EHW的研究主要采用了进化理论中的进化计算（EvolutionaryComputing）算法,特别是遗传算法（GA）为设计算法，在数字电路中以现场可编程门阵列（FPGA）为媒介，在模拟电路设计中以现场可编程模拟阵列（FPAA）为媒介来进行的。此外还有建立在晶体管级的现场可编程晶体管阵列（FPTA），它为同时设计数字电路和和模拟电路提供了一个可靠的平台。下面主要介绍一下遗传算法和现场可编程门阵列的相关知识，并以数字电路为例介绍可进化硬件设计方法。

1．1遗传算法

遗传算法是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程的一种自适应全局优化算法，它借鉴了物种进化的思想，将欲求解问题编码，把可行解表示成字符串形式，称为染色体或个体。先通过初始化随机产生一群个体，称为种群，它们都是假设解。然后把这些假设解置于问题的“环境”中，根据适应值或某种竞争机制选择个体（适应值就是解的满意程度），使用各种遗传操作算子（包括选择，变异，交叉等等）产生下一代（下一代可以完全替代原种群，即非重叠种群；也可以部分替代原种群中一些较差的个体，即重叠种群），如此进化下去，直到满足期望的终止条件，得到问题的最优解为止。

1．2现场可编程逻辑阵列(FPGA)

现场可编程逻辑阵列是一种基于查找表(LUT,Lookupbr)结构的可在线编程的逻辑电路。它由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态，工作时需要对片内的RAM进行编程。当用户通过原理图或硬件描述语言（HDL）描述了一个逻辑电路以后，FPGA开发软件会把设计方案通过编译形成数据流，并将数据流下载至RAM中。这些RAM中的数据流决定电路的逻辑关系。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用，灌入不同的数据流就会获得不同的硬件系统，这就是可编程特性。这一特性是实现EHW的重要特性。目前在可进化电子电路的设计中，用得最多得是Xilinx公司的Virtex系列FPGA芯片。

2进化电子电路设计架构

本节以设计高容错性的数字电路设计为例来阐述EHW的设计架构及主要设计步骤。对于通过进化理论的遗传算法来产生容错性，所设计的电路系统可以看作一个具有持续性地、实时地适应变化的硬件系统。对于电子电路来说，所谓的变化的来源很多，如硬件故障导致的错误，设计要求和规则的改变，环境的改变（各种干扰的出现）等。

从进化论的角度来看，当这些变化发生时，个体的适应度会作相应的改变。当进化进行时，个体会适应这些变化重新获得高的适应度。基于进化论的电子电路设计就是利用这种原理,通过对设计结果进行多次地进化来提高其适应变化的能力。

电子电路进化设计架构如图1所示。图中给出了电子电路的设计的两种进化，分别是内部进化和外部进化。其中内部进化是指硬件内部结构的进化，而外部进化是指软件模拟的电路的进化。这两种进化是相互独立的，当然通过外部进化得到的最终设计结果还是要由硬件结构的变化来实际体现。从图中可以看出，进化过程是一个循环往复的过程，其中是根据进化算法（遗传算法）的计算结果来进行的。整个进化设计包括以下步骤：

（1）根据设计的目的，产生初步的方案，并把初步方案用一组染色体（一组“0”和“1”表示的数据串）来表示，其中每个个体表示的是设计的一部分。染色体转化成控制数据流下载到FPGA上，用来定义FPGA的开关状态，从而确定可重构硬件内部各单元的联结，形成了初步的硬件系统。用来设计进化硬件的FPGA器件可以接受任意组合的数据流下载，而不会导致器件的损害。

（2）将设计结果与目标要求进行比较，并用某种误差表示作为描述系统适应度的衡量准则。这需要一定的检测手段和评估软件的支持。对不同的个体，根据适应度进行排序，下一代的个体将由最优的个体来产生。

（3）根据适应度再对新的个体组进行统计，并根据统计结果挑选一些个体。一

部分被选个体保持原样，另一部分个体根据遗传算法进行修改，如进行交叉和变异，而这种交叉和变异的目的是为了产生更具适应性的下一代。把新一代染色体转化成控制数据流下载到FPGA中对硬件进行进化。

（4）重复上述步骤，产生新的数代个体，直到新的个体表示的设计方案表现出接近要求的适应能力为止。

一般来说通过遗传算法最后会得到一个或数个设计结果，最后设计方案具有对设计要求和系统工作环境的最佳适应性。这一过程又叫内部进化或硬件进化。

图中的右边展示了另一种设计可进化电路的方法，即用模拟软件来代替可重构器件，染色体每一位确定的是软件模拟电路的连接方式，而不是可重构器件各单元的连接方式。这一方法叫外部进化或软件进化。这种方法中进化过程完全模拟进行，只有最后的结果才在器件上实施。

进化电子电路设计中，最关键的是遗传算法的应用。在遗传算法的应用过程中，变异因子的确定是需要慎重考虑的，它的大小既关系到个体变异的程度，也关系到个体对环境变化做出反应的能力，而这两个因素相互抵触。变异因子越大，个体更容易适应环境变化，对系统出现的错误做出快速反应，但个体更容易发生突变。而变异因子较小时，系统的反应力变差，但系统一旦获得高适应度的设计方案时可以保持稳定。

对于可进化数字电路的设计，可以在两个层面上进行。一个是在基本的“与”、“或”、“非”门的基础上进行进化设计，一个是在功能块如触发器、加法器和多路选择器的基础上进行。前一种方法更为灵活，而后一种更适于工业应用。有人提出了一种基于进化细胞机（CellularAutomaton）的神经网络模块设计架构。采用这一结构设计时，只需要定义整个模块的适应度，而对于每一模块如何实现它复杂的功能可以不予理睬，对于超大规模线路的设计可以采用这一方法来将电路进行整体优化设计。

3可进化电路设计环境

上面描述的软硬件进化电子电路设计可在图2所示的设计系统环境下进行。这一设计系统环境对于测试可重构硬件的构架及展示在FPGA可重构硬件上的进化设计很有用处。该设计系统环境包括遗传算法软件包、FPGA开发系统板、数据采集软硬件、适应度评估软件、用户接口程序及电路模拟仿真软件。

遗传算法由计算机上运行的一个程序包实现。由它来实现进化计算并产生染色体组。表示硬件描述的染色体通过通信电缆由计算机下载到有FPGA器件的实验板上。然后通过接口将布线结果传回计算机。适应度评估建立在仪器数据采集硬件及软件上，一个接口码将GA与硬件连接起来，可能的设计方案在此得到评估。同时还有一个图形用户接口以便于设计结果的可视化和将问题形式化。通过执行遗传算法在每一代染色体组都会产生新的染色体群组，并被转化为数据流传入实验板上。至于通过软件进化的电子电路设计，可采用Spice软件作为线路模拟仿真软件，把染色体变成模拟电路并通过仿真软件来仿真电路的运行情况，通过相应软件来评估设计结果。

模拟电路设计方法范文第4篇

大学生电子设计大赛是目前大学生关注的比赛之一，如何提高学生比赛成绩，是每个指导教师、参赛学生一直共同关注的重点。本文根据电子大赛期间，学生在完成电路时候经常出现的问题，指出赛前培训的重要性，提出赛前需要通过对学生进行理论培训，电路设计、电子器件认识、电路焊接工艺，来提高学生设计电路、实现电路的能力，以使学生在比赛中获得更好的成绩。

关键词：

电子大赛；理论培养；焊接工艺

一、导论

全国大学生电子设计竞赛是教育部倡导的大学生学科竞赛之一，是主要面向全国电子类学科大学生赛事，目的在于推动教学改革、培养实用型人才，同时也有助于培养大学生的实践创新意识与基本能力、团队协作、提高学生电子设计制作的能力，为选拔人才也创造了条件。比赛自从开办以来，一直备受全国高等院校和学生的重视，被认为国内“含金量”最高的比赛之一，比赛成绩在某种程度上已经成为标志着学校教学水平的高低。而参加比赛获奖的学生在求职过程中，也经常受到用人单位的青睐。全国大学生电子大赛是一种半开放的比赛，比赛时间为4天3夜。比赛期间[1]，同一个队伍的队员之间可以商讨设计思想，确定设计方案，进行分工协作，以队为基本单位独立完成比赛任务。指导教师不允许对参赛学生进行指导，参赛队员也不可以与其他人员探讨任何问题，队员可以查询相关资料设计电路并完成作品。比赛内容涉及范围比较广，包含高频、低频电子线路设计、单片机等控制电路，几乎包含了电子类专业所有的专业课程，没有深厚的理论基础和对电子元器件扎实的认识，很难在短短的4天中完成比赛，赛前培训则成为完成比赛内容提高比赛成绩的关键。如何进行赛前培训、提高比赛成绩，已经成为指导教师及参赛学生讨论的重点问题。本文根据电子大赛和教学内容，对学生的培训可以从几个方面进行考虑，主要包括是理论培养、电路设计训练、电子元器件认识、焊接工艺练习等。

二、理论培养

良好的比赛成绩与对电路理论知识的掌握情况是分不开[2，3]。首先需要熟练掌握基础知识。电子设计大赛的电路设计与参加考试不同，对知识的认知不能停留在仅仅会做习题的层面上，需要深刻理解教材中每一个电路设计的原理，如三极管、电阻、电容、电感等元器件在电路中发挥的作用，其数值变化对电路的影响等。例如，三极管的三个工作状态饱和、截止、放大，如何设计参数，使其工作在不同的工作状态，实现所需要的功能，这些都需要学生对电路知识有深刻的认识才能够设计出相关的电路。然而，电子大赛比赛时间一般为9月初，大四的学生已经学习了电路与电工基础、模拟电子线路、单片机、高频电子线路等课程等相关的电子技术专业课，从所学习的课程上可以看出，完全具有独立完成电子大赛题目的电路设计的能力。但是由于时间的关系，大四的学生对以前所掌握的部分知识存在遗忘的现象，这些都需要学生利用业余或者假期时间重新复习以前学习过的相关知识，以便在比赛的时候能灵活运用理论去设计电路。由于电子大赛与电子线路等课程相关的内容比较多，单靠学生自己很难在业余时间复习学会相关的知识，并且，学生习惯于考试的方法学习，对于电路的设计，几乎没有任何经验，很难把握住理论学习的重点。为了提高学生的理论水平，学校应该组织在电路设计上有经验的教师，对参赛学生进行辅导，以加深对理论知识的认识与理解。

三、电路设计训练

普通高等学校课程体系建设上[4]，受到高等学校师资、投入等各方面的影响，电子类的教学还是以理论授课为主，同时开放对应的实验、课程设计等实践教学环节，学生对电路的认识还停留在实验上，很少能够形成电路设计的概念。面对一个电路设计，不知道如何从何处入，这就需要从简单的电路设计入手，培养学生设计电路的能力。如何贯穿所学电路知识设计电路，是参赛的关键。电子大赛的电路设计是绝对不是靠一门课程可以设计出理想的电路完成比赛任务的，它是需要依靠多门课程知识内容的集中体现。电子大赛的电路设计通常需要由多个小单元电路组成。如遇到显示温度、采集信号等内容则需要使用单片机等器件来实现、如果采集的信号幅度过小则需要对其进行放大达到下一级电路的输入要求。因此将电路知识融合贯穿起来才能完成整个电路的设计。总所周知，无论多么复杂的电路，都是由简单的单元电路组合起来，实现复杂的电路功能，因此，根据学生所掌握的本科知识，先给出若干单元电路题目进行设计，如加法器、振荡器、乘法器等电路设计，让学生自行设计。随着软件技术的发展，已经存在一些电路仿真软件，如EWB、Proteus等，学生可以依据这些软件将自己设计的电路进行仿真实现，验证自己的设想是否正确。采用这些软件实现电路仿真，不仅可以使学生的设计电路时候的一些想法得到实现，也可以降低成本，同时学生也可以很容易修改参数，观察每个单个电子元件在电路中发挥的作用，这在实物电路中是很难实现的。

四、电子元器件的认识与焊接工艺

电路设计采用仿真软件实现，可以对学生起到一个锻炼作用，但是这些仿真电路毕竟与实际电路的设计毕竟存在一定的距离，我们必须把仿真电路转换成实物电路，才能提高学生对真正电路的认识。对于很少接触实际应用的本科生来说，首先培养学生对电子元器件的认识，如电阻、电容、电感等型号、阻值、电容数值等的认识，如何分清三极管、二极管的管脚；认识常用的运放芯片，比如OP07等，对于比较不熟悉的芯片，学会如何查找芯片的参数，芯片输入的电压范围等，以便用于在设计电路的时候可以依据参数，选择性能比较合适的芯片用于电路中。其次，电路焊接问题一直是困扰学生电路成功参赛的主要原因，经过了2~3天的电路设计及仿真实现，学生基本上完成电路设计，在实现作品的时候，学生焊接完的电路板，经常会出现电路不能正常工作、或者输出信号与设计初衷不一样的情况，甚至无任何信号输出，电路的焊接往往是出现问题的主要原因，虚焊、焊点过大、电子元器件被烧坏等问题都严重影响电路正常工作，即使比赛结束前可以正常工作的电路，到了比赛现场测试的时候，也经常会出现电路无法正常工作，或者是电子元器件被烧的情况。当然电路无法正常工作的原因有很多，焊接技术不过关是常见的原因，由此，需要加强对学生平时对焊接工艺的训练，提高作品成功由于焊接问题导致的比赛失败。另外，熟练的掌握示波器、万用表、直流稳压电源、信号源等基本仪器也是需要对学生进行培训的重要环节。比赛赛场通常不是在本校进行，而常用的仪器种类有分为很多种，国内的仪器面板也几乎都是专业英文标识，在紧张的比赛环境中，顺利操作这些仪器仪表进行测量也不是很容易的事情，因此需要训练学生熟练掌握常用仪器的使用方法，掌握仪器面板每一个按钮的英文含义，熟练掌握仪器的操作和按钮含义以后，即使遇到不熟悉的仪器，也可以很快学会使用方法。

五、赛前模拟练习

实战模拟训练是赛前不可缺少的一个重要环节。由于电子大赛需要面向电子、通信、自动化等专业学生参赛，因此，每年电子大赛的题目大致包括几个方面：电源、放大器相关的内容、通信、控制等几个大方面的设计。指导教师可以依据自己所带学生的专业方向设计一些相关题目进行模拟训练。经过理论、电路设计等方面系统的培训，参赛学生已经基本掌握了电路设计的相关知识。在这种情况下，参赛学生也需要参与几次模拟训练以达到组员之间相互配合的目的。每组参赛队员为3人，比赛中也通常涉及基础电路设计、单片机设计、电路焊接、最后完成比赛报告。合理的分工合作能够数顺利完成电路设计，如果在比赛配合出现问题，则有可能导致在规定时间内无法完成比赛，指导教师可依据学生掌握知识的情况，对学生进行分工。如将基础知识掌握比较全面的学生作为组长，负责电路整体设计、单片机编程比较好学生的负责单片机控制、文笔比较好的同学负责论文报告的写作。这种赛前实战模拟训练还有一个重要的目的，学会排查问题电路。在电路的设计和焊接过程中，会出现各种问题，一般来说，即使是指导教师在短时间内发现问题也是很困难的事情，这些问题出现在赛场上，只能依靠学生自己解决问题，对于对电路的初学者来说，这种问题也是经常发生，焊接的电路也很难一次成功，学会排查电路故障时参赛学生必须掌握的基本内容。针对存在问题的电路，当某一部分电路出现问题的时候，首先需要要做的是需要是检查电路设计的是否正确，确信电路设计正确后，再依照电路图检查电路连线问题，如果都没有问题，则需要依照电路从前往后每一个焊点都需要采用万用表或者示波器测量电压或者波形。这也需要对电路的原理极为熟悉，清楚了解电路中每一处的电压的大小、每一处电压波形形状等相关参数，以判断电路出现的问题所在。

六、结论

本文仅仅是从以上几个方面来讨论如何在赛前对学生进行培训，以提高学生参加比赛的成绩。但是，毕竟比赛各种意外都会发生，在短时间内完成电路的设计、购买元器件、完成电路作品，即使参加培训的学生也会由于经验不足，参数设计等问题等会有很多意外发生，影响比赛成绩。加强平时对学生的训练、增加电路设计经验是靠平时一点一滴积累起来的，只有打下深厚扎实的基础，才能在比赛中取得良好的成绩。

参考文献：

[1]汤勇明，堵国樑，贺晋，等.大学生竞赛组织和创新能力培养的探索[J].电气电子教学学报，2009，31（4）：76-77.

[2]龚仁喜，孟小碧，秦钢年.创新型人才培养与实验教学改革的探索与实践[J].实验技术与管理，2006.

[3]郭亮，姜文聪，任旭虎.大学生电子竞赛培训模式的思索[J].中国教育技术装备，2014，（2）：92-93.

模拟电路设计方法范文第5篇

关键词：优化算法 集成电路 优化 设计

中图分类号：G71 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）08（a）-0044-04

由于大量芯片制造技术变革，使得集成电路具有更加庞大的规模，在片上系统有更多复杂性的设计，要求芯片在进行设计时，不光有相应的集成电路知识，还要能够进行更加快捷的电路设计。在进行相应的电路设计时，需要权衡各个性能指标，将其最优性能发挥出来，使用更多目标化的领域进行电路优化，还需要权衡各个目标，保证达到最优化的同时，不会消耗各自的性能，保证各个目标间不存在恶劣影响，并互相保证最优化功能[1]。

对于系统复杂性的设计，通过对设计过程的加速，来进行相应计算机的辅助综合性分析，包括对电路进行模拟、射频等办法。数字电路能够更加简单的将不同逻辑层次进行抽离，提高电路的自动分布。模拟电路设计过程，因为种类繁多，结构差异巨大，设计需要大量的人力物力和技术指导。在一个小的芯片中，射频电路虽然占用面积小，但是设计成本和设计时间却要超出想象，其内产生的相应寄生效应，会导致电路的失真，无疑对电路优化增加阻碍。智能优化算法通过自然界的生物群体进行相关智能表现的一系列现象，并能够设计出较为基础的优化算法，并同生物一样，能够将集成电路进行更加优化的智能设计，极好的调整自我，来适应周围环境变化。有效地将智能算法在各种大范围的电路设计中进行应用，可以更好地增加电路设计效率，解决集成电路中存在的多冲突指标。还能够发挥出自身潜在特点，提供设计者相应的数据库进行电路方面的设计工作。

1 智能优化算法

人们利用自然界来认识更多的事物，并通过事物的来源进行想象和创造。智能优化算法也就是基于自然界，进行适应性启发，从而模拟进化出来的利用计算机进行表达的方法。智能优化算法具体可以包括模拟退火、禁忌搜索、群智能优化等，能够通过各种模拟自然界的相关程序，扩大搜索范围，具有较强的全局搜索特点，可以得到更为优化的解决传统问题的办法，从任何研究角度，都能提供较为新颖的解决办法。

1.1 禁忌搜索

禁忌搜索算法是通过对人类的大脑进行记忆启发的算法，具有更加广阔的搜索范围，有全局搜索的功能[2]。利用十二表法来锁住搜索区域，通过相应的禁忌准则来减少重复搜索的工作量，释放禁忌中的优良个体，具有多样性的搜索功能，减少系统陷入僵局，寻找到最适合的全局最优。

1.1.1 流程

禁忌搜索算法需要寻找到一个较为可行的点作为当前的初始解，再通过对其所在结构的函数邻域解来进行相关邻域的创建工作，随后选出一定的邻域解作为候选[3]。如果选出的候选是最优目标，测得结果比搜索出来的最优还好，就成为“超过预想状态”，可以忽略其禁忌特点，用其作为当前解，填入禁忌中，修改每任禁忌对象；如果选出的候选不是最优目标，那么这一结果就不能够出现在禁忌中，忽略禁忌中的最优解和当前解间的差异，将其填入禁忌中，改动每任紧急对象，反复搜索，直至找到“超过预想状态”。具体的禁忌算法流程见图1。

1.1.2 关键要素

完整的最优算法通常包括多种要素，当然禁忌算法也如此，这些要素都会影响紧急搜索是否能够找到最优解。十二表法主要包括禁忌表、移动与邻域、适配值函数、对象、长度、初始解、候选解、藐视、终止准则等[4]。

（1）初始解，也就是进行搜索时的最初状态，初始解是通过随机办法生成的，遇到复杂约束时，随机生成的初始解就不一定可行，因此具有很大的局限性。对于初始解的选取，在一个集成电路的设计中，占据较为重要的地位，选定合适的初始解，能够有效降低工作量，增加搜索效率和搜索质量。

（2）移动与邻域。一个生成新的最优解的过程就是所谓的移动。移动通常需要依据具体情况进行针对性的分析[5]。邻域就是利用当前所解，通过一些列的移动产生的新的最优解，领域主要视具体情况而定，而邻域结构能够高质量的保证其搜索产生的最优解，从而增加算法的效率。

（3）候选解作为当前领域解中的最优解，其范围大小通过搜索速度来确定。遇到较大规模的问题时，候选解的范围则会变大，结合邻域搜索的速度，通常只用当前解作为候选集。

（4）适配值函数类似于遗传算法中的适应度函数，主要是为了评价单个个体的优劣情况。通常适配值函数都会改变目标函数来选择，当遇到的目标函数具有较大的计算量时，需要简单的改进适应算法，只要能够将两者保持在一定范围内，就可以当做适配值函数。

（5）禁忌表作为设计禁忌对象时的特有结构，能够有效防止搜索陷入重复的死循环僵局，也能够保证算法不会拘泥在局部最优解之内[6]。而禁忌对象和长度作为紧急表中的两个主要因素，前者影响表内的变化，通常改变这些元素能够有效避免其搜索到的结果是局部最优解，可以使用状态本身，后者是适配值，当做禁忌对象；而后者则表示了禁忌表的范围。

（6）藐视准则，代表的是一种渴望与破禁的水平[7]，当移动后的解要优于最优解时，就可以进行移动，不论该结果是否存在于禁忌表之中。满足这个条件，就是藐视准则。通常情况下，这一准则就是为了预防遗失最优解而设立的。

（7）终止准则，当使用禁忌法进行搜索时，找不到最优解，也就是说搜索到的结果不能够保证是全局最优解，也不能够利用目前已知的数据进行判断，所以需要使用终止准则进行停止搜索的工作。

1.1.3 特点和应用

同智能优化的其他算法比较，禁忌优化算法能够更好的跳出思维的局限，利用全局进行搜索，并且该算法可以接受一定的差解，可以很好的进行局部搜索，又兼顾全局搜索[8]。而禁忌优化算法的缺点则是对于初始解和邻域的依赖程度较大，不能够很好的进行串行算法，降低了全局搜索的能力，多个关键性参数导致其并行算法的影响小，一旦出现不当的设置，很容易降低整体算法的计算能力。由于禁忌优化算法能够更好的解决小规模问题的优化，所以对于最短时间内解决在设计超大规模的集成电路芯片问题时，具有较多的应用，在生产、组合、电路设计、神经网络等领域应用较为广泛，并有很多函数方面的全局最优解研究，通过不断改进禁忌算法，能够拥有更加广泛的适用范围。近年来，对于模拟退火算法同禁忌优化算法结合的方案也有一定程度的研究，利用二者配合使用的混合式搜索算法，能够较好的解决相关问题，并进行算法的优化工作。

1.2 模拟退火算法

模拟退火算法是一种利用概率来接收新事物的Metropolis准则[9]。进行组合间最优解的寻找工作，主要的思想是根据固体物质在退火时，依据温度的变化，选出的最高熵值（即内部无序状态），熵值下降（即粒子逐渐出现一定的规律），通过这一过程进行温度的平衡状态，从而达到基本温度状态，也就是最低熵值（即固体内部最低内能），这一过程同寻求最优解的过程极为相似，概率论上利用退火过程进行模拟来解释相关模型。

1.2.1 流程

模拟退火算法开始于一个较高温度，随着温度的降低，呈现一种跳跃的征象，利用目标函数搜索全局，寻找全局最优解[10]。模拟退火算法可以说是一种能够进行多问题解决的优化办法，基本上能够进行全局优化。

（1）Metropolis准则，假设一个系统的自由能等于系统内能与系统温度的差值，用公式（1）代表，s是系统的熵。假设恒温系统的两个状态是i和l，使用公式（2）和（3）表示。

F=E-Ts （1）

Fi=Ei-Tsi （2）

Fl=El-Tsl （3）

通过计算可以得出，F=Fl-Fi=Ei- El-（Tsi+Tsl）=E-Ts。当系统从状态l变成状态i时，F则会小于正常，说明能量明显减少，熵值明显增加，对自身变化较大。因此，温度恒定，系统会把自身的非平衡状态转变为平衡状态，由温度决定两因素的地位。假设微粒的原始状态l是固体物质当前所处的状态，使用能量状态Ei来表示，随后利用一个抗干扰装置，随机改变微粒位置，产生了一个新的能量状态El，如果Ei

R=Exp[-（Ei- El）/kT] （4）

T代表绝对温度，k是常数，R

Pl=1/z*exp（-El/kT） （5）

Pl代表系统处于微观l的概率，而exp（-El/kT）是分布因子。当处于较高温度时，系统能够接收能量差距极大的新状态，所以，当温度处于一个较低的水平时，系统接收的新状态要求仅有极小幅度的变化，所以对于不同温度而言，具有相同的热运动原理，但是温度是零摄氏度时，任何的Ei>El均是不成立的。

（2）流程，假定初始温度是T0，初始点是X0，计算初始点的函数值是f（X0），随机产生的扰动为X，新点则变为公式（6）。计算该函数f（X1）和该函数同初始值之间存在的差异，即公式（7）。

X1=X+X （6）

f=f（X1）-f（X0） （7）

如果差异函数f低于正常，则下一次进行退火的模拟初始点可以使用新的点来代替；如果差异函数f高于正常，则需要计算新点接收的概率，即公式（8）。

P（f）=exp（-f/kT） （8）

在[0，1]区间内，伪随机产生的数s，如果P（f）低于s，则下一次进行退火的模拟初始点可以使用新的点来代替，否则需要重复Metropolis准则，直到选出合适的数值为止。

1.2.2 关键要素

（1）状态空间和邻域函数。状态空间也就是搜索空间，包括所有编码后产生的可行解。在进行候选解的创建时，需要尽可能使用原始状态函数进行创建，从而充满整个空间[11]。

（2）状态转移概率，也就是接受概率，使用Metropolis准则，在进行可行解的转化过程时，也受到T（温度参数）的影响。

（3）冷却进度表T，是从高温T0到低温冷却时进行相应管理的一个进度表。如果使用T（t）来表示温度，经典的模拟退火算法进行冷却的方式使用公式（9）表示。快速冷却法则可以用公式（10）表示。

T（t）=T0/lg（1+t） （9）

T（t）=T0/（1+t） （10）

以上两种办法都能够降低模拟退火点至全局最小。冷却进度表也说明该算法的效率，并且要想得到最佳组合，需要进行大量实验才能够得到。

（4）初始温度，如果具有较高的初始温度，那么会有较高的概率搜到高质量解，但需要更长的运算时间。对于初始温度的给定时，需要结合算法优化所消耗的时间和效率，通常有两种办法，一是利用均匀办法产生的一种状态，将每一个目标函数都设定为初始温度。另一个办法是使用任意产生的状态，利用最大目标函数进行确认，记录其差值，即max，根据差值使用某一函数作为初始温度。

（5）外循环终止准则，又叫做终止算法准则，常用准则包括设置温度终止阈值，外循环的迭代，系统熵稳定程度的判定。

（6）内循环终止准则，也就是Metropol

is准则，利用不同温度选出不同候选解，又被称为是抽样稳定性质准则，主要包含以下内容：目标函数均值是否稳定，连续若干个目标函数变化幅度，采样办法。

1.2.3 特点和应用

模拟退火算法通过概率的办法寻求全局最优解，不受初始值的影响，能够缓慢进行收敛，能够较好的进行多数据的并行、扩展和通用，使用极高的效率进行有关最优化组合问题的解。不足之处是在一定程度上，虽然能够降低程序陷入优化僵局的可能性，但在进行大范围搜索时，需要多次进行计算，从而寻找到最优解，在实际的应用中，这一缺点极大地增加了工作量，不利于优化计算效率。

作为一种较为通用的使用随机办法进行搜索的计算方法，模拟退火算法已经广泛的在机器学习、神经、生产、图象等领域进行应用，对自动设计的模拟集成电路，应用模拟退火算法进行设计，多目标进行优化设计等。

1.3 遗传算法

遗传算法是基于达尔文生物进化论有关自然选择同生物进化过程进行相关的计算所制作出来的模型，足以满足适者生存与优胜劣汰的生物界遗传机制。

1.3.1 流程

遗传算法优化问题解叫做个体，通常使用变量序列来表示，叫做染色体或基因串。利用简单的字符或数字表示染色体，通常使用0和1的二进制进行表示，或利用其他特殊问题进行表示，叫做编码。

遗传算法开始于种群，依据适者生存与优胜劣汰的生物界遗传机制，不断进行迭代进化，通过选择、交叉和变异生成新种群，从而产生最优解。遗传算法流程图如图2所示。

1.3.2 优点及应用

遗传算法依据适者生存与优胜劣汰的生物界遗传机制，主要优点包括以下几点。第一，不需要使用函数，就能够直接对结构对象进行有关求导的操作；第二，遗传算法整体优化不受梯度和辅助的影响，只受目标和适应度的影响；第三，使用一定概率进行变迁，不需要固定在某一区域，很好的对搜索方向进行校正和适应，从而自动获得结果；第四，遗传算法具有较强的全局搜索力。以上这些优点很好地为相对较为复杂的问题进行有关系统求解时提供了相应的框架，因此被广泛地应用在人们各个领域的生活中。

2 基于遗传算法的二级运放电路优化

利用遗传算法进行有关系统优化能够使用更少的资源来设计自动化电路优化，既降低硬件的成本又缩短设计的使用时间。利用仿真软件进行有关电路设计的优化，能够使用更加精确的模型进行优化，但是其缺点在于巨大的求解空间导致耗费时间长。所以目前有一种提法是根据电路性能进行相关遗传算法的解析，具有用时短、操作性能有所改善的优点。对于不是要求很严格的设计条件，可以使用二级运放进行电路设计，更加缩短设计时间。

2.1 二级运放的电路分析

进行有关集成电路的模拟中，使用运算放大器，能够很好的将单元模块进行高倍放大，通常情况下，使用反馈网络进行有关电路模块功能的重组。运算放大器作为一种较为重要的模拟和数模信号的系统电路模块，已经被应用到各种系统的电路设计之中，运算放大器主要包括输入差分、增益中间、缓冲输出以及电路偏置和补偿四种。基本结构如图3所示。

2.2 二级运算放大器性能指标

下面通过二级运算放大器的交流小信号模型对运放的重要性能进行分析。第一级运放为M1-5的差分运放构成，第二级运放为M6-7的共源放大器构成。二级运放等效模型如图4所示。

转换速率，又叫做压摆率，也就是说在运算放大器进行电压输出时候产生的转换速率，很好的提示运放速度。在输入端连接一个比较活跃的信号，通过运放输出测得最大上升速率。

2.3 遗传算法对电路进行优化设计

目前一种较为新颖的优化电路生成办法是在小环境范围进行有关二级运放的优化。具体编码方式包括集合染色体内的各种未知参数，使用0和1的二进制代码，代表不同的设计电路的方案。使用每个指标的性能函数相乘，得到适应度函数，从而显示出最大化目标函数和最小化目标函数。

自适应免疫遗传算法是目前较为新颖的智能优化改进算法，求解模拟相关生物学中的免疫系统，利用抗体的产生来排除抗原。自适应免疫遗传算法使用一种较为高质量的节约资源进行有关机制的克隆，对于优化解即抗体进行高概率的选择，同适应度函数有一个正比例关系。选定个体后将其复制传代，放弃本身的亲和力，也就是抗原抗体的匹配度，将优化的目标函数作为个体抗原。利用自适应免疫遗传算法，提出相应电路图的设计图案，如图5。

自适应免疫遗传算法引入生物界内免疫系统相关概念与免疫系统方法，有效提升遗传算法进行全局搜索方面的能力，并有效进行相关速度的收敛。改进后算法能够有效的克服传统算法中过早收敛的问题，以及盲目进行交叉和变异的操作，进行自适应免疫遗传算法电路的优化，如图6所示。

2.4 电路优化及仿真结果

运算放大器作为在进行电路的集成模拟过程中应用最为广泛的电路，也具有较大的功耗和时间模块，所以不同的方法设计显示出不同的电路性能。比较具有代表性的二级运算放大器的电路图如图7所示。

从图7可以看出，对于具有特定结构的功能电路，如果拥有较为合理的尺寸设计，可以得到一个较为固定的电路指标，某一性能改变会导致其他性能的变化。依据自身的电路设计经验和实际电路的设计要求，来选择合理的电路设计，虽然使用优化算法可以在设计电路时进行一定的优化，但是有关电路性能方面的解析，有关目标函数准确性模型的建立，具有一定的限制条件，需要进行更加深入的研究。

3 结语

智能优化算法在当今的很多领域内，都是重点的研究项目，该文主要针对智能优化算法的产生和发展进行阐述，并详细分析了几种较为典型的智能优化算法，其中，最具有代表性的集中算法是粒子群优化、遗传算法等。虽然该文分析和研究的是集成电路进行智能设计的更为优化的方法，但是今后对于集成电路的智能设计，还有很多问题值得进行深入研究。

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