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日志

电路人生——微电子集成电路大牛Willy Sansen自传

已有 4808 次阅读2016-1-18 20:40

作者简介:Willy Sansen教授于1972年从加州大学伯克利分校获得博士学位;从1980年起在比利时天主教鲁汶大学担任全职教授。从1984年到2008 年,Willy Sansen教授担任ESAT-MICAS实验室的模拟设计带头人。他指导过63名博士,发表过635篇文章,出版了6本专著。他是IEEE Solid-State Circuits Scoiety的前主席,并担任过2002年 国际固态电路会议的程序委员会主席。2011年,Willy Sansen教授由于在固态电路领域做的突出贡献被IEEE Solid-State Circuits Scoiety授予Donald O. Pederson奖。Donald O. Pederson奖是IEEE固态电路的一个技术领域奖,该奖每年由IEEE固态电路委员会颁发给那些“对固态电路领域有突出贡献”的人。同时他还是 IEEE终身Fellow。Willy 教授分别于1978年在斯坦福大学,1981年在洛桑联邦理工学院,1985年在美国费城宾夕法尼亚大学,1994年在T.H. Ulm,2004年在菲拉赫英飞凌任客座教授。

我很荣幸受邀来说说我自己,但我想说的很简单。那就是我一直在努力做一个更好的 模拟设计者。我会解释我一生中哪些方面促成了这一切。或许这会帮助你也成为一个更好的设计者。 模拟设计永不止步。永远有东西被发明或改进。进步一直有可能出现。但在努力实现最优的解决方案的路上,设计者可能会沮丧。尽管他知道他不可能真正找到最好 的答案。这是个持续不断的沮丧。也许他会借助于醉酒,或者听一听音乐,来忘掉这不愉快。 1999年在夏威夷举行的超大规模集成电路会议上,我在演讲开始表达了模拟设计既是科学又是艺术的想法。艺术充满了灵感,而科学充满了insight。模 拟设计则两者都需要。基于电流和电压来构造你的放大器和滤波器的功能就是这么奇妙。这给你很大满足感同时又带来沮丧感,因为这里永远存在做得更好的可能。 模拟设计不仅仅只关乎电流和电压。事实上,他还娶了噪声和失真为妻。她们在电路图中看不到,所以更难以处理好。这些 就是前面所说的因素所在,然而他们在艺术和音乐中至关重要。 在本文中,我会努力发现在模拟设计中,科学在哪里停止,艺术在哪里开始,或者反过来?艺术会让你成为更好的模拟设计者吗?音乐会让你成为更好的模拟设计者 吗?抑或你仅仅从网上寻找这一切? 我会基于自身经历来回答这个问题。其中有许多都和我有幸指导的博士生有关。我经常引用文献的原因,就是要给出他们的名字和毕业的时间。在下面的 《Willy Sansen 指导或共同指导过的博士生》中将给出完整的名单。本文因此在相当程度上是一个什么让我成为更好的模拟设计者的个人清单。

我的第一个电子玩物

当我还是个小男孩的时候,我对看不到电流是否在流动的现象很好奇。看着五颜六色 的导线在布满了元器件的电路板和连接器之间穿梭,我不能分辨这一切是否在工作。这就是一个喇叭的美妙之处。没人能看出是否有东西进出,但播放出来的音乐的 确美妙。我依然认为音乐是这么多工程师被引诱到模拟电子世界的最重要原因。在我7岁开始玩音乐的时候我就深信于此。 因此我开始把不同的器件连接在一起:把录放机和收音机连在一起,把宽带记录器和带有分离喇叭盒的放大器连在一起,等等。并不是所有的组合都能工作,因为一 些以后我才能懂得的原因。我16岁那年,我在中学加入了如何搭建一个无线电接收机的课程。我学了欧姆定律和基尔霍夫定律的应用,并构造了一个无线电接收 机。它是一个美丽的收音机(见图1)。它有一个具有大银色圆顶和四个引脚的真空管 Valvo 385。电子管的旁边是一个Amroh Mu-CORE 超外差线圈。轻轻拨动前面板上的云母变容二极管,你就可以通过耳机听到广播了。这时我就想,也许我应该做更多。

图1 我的第一个收音机

我开始用MBLE公司生产的套件搭建放大器和收音机,MBLE是一家做了像 Heathkit公司一样工作的公司。我把BBO 845重命名为2*10-W超线性高保真放大器,它可以用MBLE的9710M喇叭放出美妙的声音。我经常在姐姐的派对上用它放音乐。我的几个朋友对于能 够以这么低的价格搭建一个放大器非常高兴。 然而,最令人惊奇的无线电接收机是我的Galene装置。它只用了一个晶体和一个变容器,甚至没有电池!电路图如图2所示。它非常简单。它也需要电线作为 天线,还有一个2kΩ的耳机。中学的时候我在床下面拿它来听布鲁塞尔的广播。金属的床垫网格就成了天线。不需要电池或者太阳能就能播放声音令人惊奇。

图2 无电源Galene收音机 接收器B是可变电容,D是晶体。

我在中学学到最重要的东西是“mens sana in corpore sano”,好身体孕育好精神,意思是如果你感觉良好,你就能做的好。比利时的中学教育是你以后人生的基础。我去阿尔斯特的耶稣会学校上了学。这儿是人文 科学的真正中心。大部分时间花在人文科学和像拉丁语、希腊语、法语、英语和德育这样的语言学上。由于花了这么多时间在人文和语言上,我不得不在学习工程学 之前在大学花了一年时间在数学上。

我从耶稣会学校学到的另一个东西是即使最好的东西也不够好。这个思想从没离开过我的头脑。我会向听我说话的任何人解释说你必须在你的学科成为世界最佳。如 果十年以后这还不明显,你最好尝试点别的。

当然,总是追求最好必然带给你很多挫败感和压力。为了抵消这些,我在办公室里挂了一张镰仓大佛的照片。很多年里这是我办公室唯一的照片。那里没有炫耀的牌 匾,没有让我分心的妻子和孩子的照片,只有镰仓大佛(见图3)。参观者认为我喜欢旅游,确实我喜欢。但这和旅游没有关系,仅仅是追求a mens sana in corpore sano。这里要解释一下:1981年我作为Osaka Jaycees选出的第一届十大杰出青年(TOYP项目)之一被邀请到日本。两周的时间里,十个欧洲人了解了日本文化、生活方式、经济等。另一个比利时参 与者是小提琴家Edith Volckaert,很令人悲伤,他几年以后英年早逝。我是其中唯一的工程师。我一度花了24个小时在一家佛教客栈讨论宗教和打坐。在这里我学习到四大皆 空的成语是一条通往佛化和更多生活快乐的路。我发现这是对总想成为最好的痴迷的反麻醉药。从此我在我大学里的办公室挂起了镰仓大佛(镰仓是横滨附件的一座 城市)。至少十年时间里它是我办公室里唯一一张照片。它提醒我大多数失误并没有看起来那么重要。

图3 镰仓大佛

我自己搭建的最复杂的设备是一台高频自动增益控制放大器的测量设备。这是我的博士论文,1971年在加州伯克利大学Bob Meyer的指导下完成的。(参考Bob Meyer对Willy的研究的一个综述《Willy Sansen的研究:一个综述》)。这全部都是关于噪声和失真的。我学了接地和去耦合来让它工作。然而,在当时我不能说这是全部都关于硬件的。我们在算出 想要的东西时得到了早期版本的SPICE的极大帮助。我甚至写了SPICE的第一个傅里叶分析去查明我的电路里究竟存在什么谐波。

我自己搭建的最后一个电子设备是为一家小公司做的12路公共地址系统和一个用于数字门电路演示板的10V/10A 电源。那时我23岁,完成了大学学业和兵役,迫切要进入实际微电子设计领域。到那时我已经形成了测量设备的意识。的确,我被教导过没有测量就没有模拟设 计,没有硬件就没有模拟设计。

我最后一次和硬件打交道时在一次我的学生组织的实验室内部比赛中。我们需要在尽量短的时间内搭建一个触发器,而且要能工作!Wim Dehaene和我第一个完成比赛(见图4)。

图4 和Wim Dehaene一起做触发器

无处不在的圆

如此多的电子设备正涌向我们的世界。持续增多的工具控制了我们的生活。这一切从 哪儿开始的呢?最简单的电子设备在哪里?什么最先出现的呢? 一个电子工程师在实际中最先碰到的事情就是测阻抗。的确,在整个电子领域,施加一个电流然后看产生什么电压或者施加一个电压然后看产生什么电流可能是最基 本的事情。早期的例子有放大器的输入和输出阻抗的测量,电阻式传感器的特性,生物阻抗的处理等。更近的例子包括水果新鲜程度的测量,墙壁湿度的测量,活组 织中电极接触电阻的测量。

图5 (a)电路(b)RC低通滤波器的圆

所有类似测量都服从于相同的电学模型——一个并联RC电路串联一个小损耗电阻,如图5所示。在波特图中,这个阻抗 看起来像一个低通滤波器,但在极坐标图中,它是一个圆(见图5)。很容易就知道所有的阻抗都服从于圆——无所不在的圆。

一个圆的美丽在于你知道它是一个圆。结果,曲线拟合允许高精度参数的提取。一个著名的例子就是双极性晶体管阻抗的测量,串联电阻r是看做放大器的晶体管的 基本电阻。并联RC电路由rπ和Cπ构成。最低频率是增益截止频率fT除以晶体管的beta值。这个测量完全描绘了晶体管的特性。像这样一个测量很容易移 植到有栅漏电流的MOS晶体管中去。

现在的问题是当你插入两个电极要测量一个苹果、香蕉或者活组织的阻抗,施加一个持续的电流,找不到这样的圆。它是一个中心偏离坐标的椭圆或圆,如图6所 示。出现了一个新的参数叫做φ,它不是90°。

它是由图6中电阻和电容的分布特性造成的。电阻不再是一个分立的电阻而是一种RC传输线。这也是苹果的细胞结构造成的。新 鲜的苹果具有较强的纹理结构,因此造成φ接近于90°。软软的苹果服从于更低的F值。这就是为什么参数φ可以用来作为苹果、香蕉或猕猴桃新鲜度的衡量指 标。

图6 组织或水果的阻抗

现在这个阻抗可以用图6来描述,其中参数n与新参数φ有关。至于图5中的分立结构电路,参数n不再统一,而是介于0.6和 0.8之间,取决于材料的纹理结构(水果的新鲜度)。比如,当n=0.8时,φ大约是75°——这是软苹果的典型参数。

电子工程师在此碰到一个问题。像RCs(其中s=jw)这样的式子只有取决于滤波器阶数的指数1,2,3,…。像0.6和0.8这样的小数在电子电路中是 无法生成的。画波特图不再那么明显。一些无处不在的圆看起来像椭圆。我们不能再用恒定的电阻和电容值来表示阻抗。在某些领域,电阻值本身取决于频率,电容也是。这是一个噩梦。我们都知道电容的阻抗取决于频率,但电容本身决计不是。

生物阻抗也出现了类似的结果。活组织(或者鲜肉)中两个电极之间的阻抗给出了一个如图6所示的椭圆状曲线。一般至少需要3个电极来从接触阻抗中分离出大部 分阻抗。这是一个零级讨论,然而,这里只用了两个电极。这个生物阻抗测量用来检查电极和组织的接触良好程度。它的应用宝库心脏起搏器的电极和人工电子耳蜗的电极。毕竟活组织会排斥像电极这样的外来材料。它在电极周围产生一层隔离层,不时地增大R和C的值(见图6)。表面阻抗会有类似的结果。很显然,无所不 在的圆全部转换成了椭圆。

我第一次测量生物阻抗是为一个骨折刺激器。滑雪事故中的骨折像其他骨折一样经常不能愈合,因为这些骨头被频繁旋转和分裂。每个电极加上50μA的阴极电流可以促进愈合。我们用一个主振荡器和射频 发射机搭建了一个四通道遥测系统来输入这样的电流,测量电极阻抗并把信息用无线遥测系统发送出去。这个系统源于和比利时鲁汶大学医院的 Pellenberg学院的整形医生J. Mulier 和 M. Hoogmartens的一次合作。它在1980年日本举行的生物遥测技术会议上展示。然而这个系统要能被植入生物体。众多患者反对在未愈合的骨折上接受 植入而兴趣衰减。所有的功能集成在一片1.3V供电的双极技术的芯片上(见图7)。这个系统是我们第一次进入生物领域的尝试,所以我们叫它BIO 1。在无数医学应用中,接下来会有很多。能够做一些对医学和人类有帮助的事情感觉非常好。

图7 骨折遥测和刺激芯片

我们第二次涉足的是测量人工电子耳蜗的生物阻抗。同样地,用一片芯片实现了内耳 或耳蜗的八通道电流刺激。耳蜗中的电流诱导听力恢复。为了查明那个电极仍然在作用,也就是哪个电极仍然和组织具有低的欧姆接触,必须测量这个阻抗。然后起 作用的电极必须用来刺激(Peeters, 1979; Van Paemel, 1990)。这项技术由比利时安特卫普大学的J. Marquet 教授和E. Offeciers教授开发。它是今天仍在发展的人工电子耳蜗技术长长发展之路的起点。 我们仍在测量生物阻抗,不过今天这种设备叫做伏安传感器。一张能过滤掉特定离子的薄膜被加在一个三电极结构之上。就构成了一个化学传感器。提供能找到的正确的过滤薄膜并附在硅基底上,它就可以用来测量葡萄糖或者胆固醇了(Lambrechts, 1989; Jacobs 1996)。

由于每年两次的更小的沟道长度所增加的掩膜费用,设计被集成到多项目芯片(MPCs)上。我们从1983年春天开始做这个。1984年8月设计的采用3- μm CMOS工艺的MPC 4的一部分如图8所示。在左侧可以清晰地看到耳刺激芯片。用前置放大器和驱动连接在一起的化学传感器正面朝上在中间。

图8 MPC4正面的耳朵刺激器和化学传感器

所有这些早期的生物项目都被归类到生物电子学下面。这样正确吗?


生物电子学真的存在吗?


现在,生物电子学是个热门话题,正如它融合了这个世界上两个最壮大的经济:微电子和医药。事实上,电子学的医学应用正是电子学的第一个应用领域。1750 年,电学刺激就已经被应用到人体所有可能的部位来提升它们的功能(见图9)。由于这种方法被滥用而导致大多数欧洲国家禁止使用它。后来,它作为神经和很多 其他器官的功能性刺激重新出现。

图9 大约1750年电学刺激的应用

我们为医学应用做的第一个电子刺激器是用来帮助治愈骨折的,前面介绍过。这是生物电子学吗?显然,在一片芯片上很多功能的集成式微电子学。数据从体内到体 外的传输同样是个技术问题。为此很多射频耦合系统被开发出了。可能在组织或骨骼上电流的效应是生物电子学,但它事实上属于生理学的范畴。的确,我们的研究 继续沿着这个方向:电学刺激对细胞生长的影响。这个研究仍在进行,而且将永远进行。原因是细胞是活的材料。他们被刺激所改良,无论刺激是机械的、化学的、 电学的、或者磁学的。刺激的参数,比如幅度、脉冲宽度、脉冲列长度等,都必须为了保持有效而修改。 一些早期的芯片为全编程系统做了铺路。因为技术参数一直在变,所以这种可编程性是很需要的。无论是因为一次会议而改变了想法的医生,或是车间,或是患者变 化,或是应用领域,都不得不扩展。只有最大的市场——比如心脏起搏器、糖尿病患者、老年人的不便——能够承担得起定制芯片。其他的需要可编程的芯片。一个 这样的可编程系统叫做人体内部调节系统(IHCS)。IHCS是为解决所有生物医学问题的芯片的一个起点。它包含三个芯片,一个可编程前置放大器,一个可 编程刺激器,和一个工作在低频的低功耗微处理器。 我在1980至1992年间,我作为布鲁塞尔COMAC的一员,学了很多生物医学难题和解决方案。COMAC是一个生物医学领域的专家建议组;它有2组来 自各个参与国家的专家组成(医生和工程师组)。我是来自布鲁塞尔的工程师。布鲁塞尔自由大学核医学系的André Ermans教授是我的比利时同事。COMAC在欧洲生物医学团体的融资方面提建议。大约35个项目被确定,项目范围从心电图处理,到人工皮肤,到生物相 容性。每个项目都会有一个项目负责人来在欧洲某个地方组织研讨会——通常在一个希腊小岛——并在布鲁塞尔汇报给我们。每年大约会组织110个这样的研讨 会。当然,你不可能全都参加。我挑选出遥测技术、人工电子耳蜗、心电图处理、生物化学传感器等。这真的是了解生物电子学的绝佳机会。 在我人生这个阶段我学会了两件事。第一,没有生物电子学这码事。电子学在医学应用的所有方面都能被其他学科很好地覆盖,比如微电子设计、生物化学、生理学 和矫形外科学。声称是生物电子学专家的人必须也是在这些方面都是专家的人。第二,没有最终答案,只有进步。在技术领域比如电子学,会有一个最终的产品,它 依据有限的技术参数工作。在生物医学领域不是这样的。事物一直在改善;他们永远不会达到最终状态。所以,一个人的一生都可以奉献给这些“生物电子学”问题 中的任一个。

更多欧洲层面的事

在20世纪70年代早期,我们都有点更欧洲化了。1976年,我成为布鲁塞尔 Esprit咨询委员会的一员,它是欧盟支持研究的第一个框架项目。大多数支付的资金都用于技术,就像12家公司——飞利浦、西门子和意法半导体名列其中 ——所说的这是欧洲的未来。现在框架项目7正在进行,内容更应用驱动化,这被认为是欧洲的未来。

大约同时,我成了半导体大学公报(SUB)的秘书长。SUB是欧洲拥有半导体技 术实验室和半导体物理教学的大学的组织。它由屯特的O. Memelink教授、亚琛的W. Engl教授、劳万拉奴富的P. Jespers教授、鲁汶的R. Van Overstraeten教授创建。我成为这个组织的秘书长时,SUB已经拥有近30个来自全欧洲及南非的成员。成员需要在公报做报告和参加由某个成员组 织的年度会议。我发现在一些技术设备比如熔炉、溅射系统、离子注入设备等方面的讨论很有 用。不同大学在微电子领域的教育规划被讨论和比较,这还是第一次。在欧洲半导体技术领域思想建立过程中,SUB扮演了重要角色。它成了所有半导体活动组织 的聚集地。这个欧洲网络在欧洲层次上获取科研经费是必需的。然而SUB最近解散了,由于不同的泛欧州项目已经提供了足够多的机会去见面和交换经验。

一个甚至更有效的定义项目的网络是欧洲模拟研究网络(NEAR),由来自不同机 构和大学的代表D. Samani, H. Casier, D. Logie, F. Dielacher, L. Moore, F. Maloberti, Y. Tsividis, J. da Franca, 和 J. L. Huertas,还有作为主席的我,欧盟办公室的D. Broster 和 M. Cecchini发起。NEAR的目的是在欧洲产生更多的模拟设计者。NEAR组织了研讨会和定义了项目。我们还有一个NEAR新闻通讯,里面列出了与模 拟设计相关的时事和对会议的印象。它还有一个用来讨论问题的角落。你可以向模拟博士(见图10)问具体设计问题的答案。它一度曾有220个成员。不幸的 是,由于缺乏欧盟的资金支持,NEAR四年后消失了。尽管如此,它仍是一个伟大的倡议。不管怎样,这些年仍有很多模拟设计者问起它。

图10 模拟博士

在我们领域合作方面欧洲最重要的发展史模拟设计进展研讨会(AACD)的建立。 代尔夫特大学的Han Huijsing提出了模拟设计的真实研讨会的想法。Rudy van de Plassche和我都赞同形成一个这样的研讨会,只要满足三个条件:它必须包含三天,每天由6个邀请的演讲人讨论一个话题,每天的最后选出一个专家组。 它必须放在一个方圆100千米以内能找到100个设计者的地方。最后,它必须足够贵以限制有60个左右参与者。(否则,它就不再叫研讨会啦。)AACD于1992年在荷兰席凡宁根开 启(见图11)并且仍在进行。第20届AACD研讨会将由Michiel Steyaert组织,于2011年四月5日至7日在鲁汶召开。它是全世界最好的模拟设计研讨会,因为它允许大量的讨论。严肃地讲,这是那些从事模拟设计 的人所必须的。

图11 1992年AACD创始会员:(左至右)Rudy Van de Plassche, Willy Sansen, and Han Huijsing

我职业生涯中最重要的欧洲层面的事当属欧洲固体电路会议(ESSCIRC)。第 一次会议于1975年在英国坎特伯雷举行,我也参加了。ESSCIRC都是于九月在欧洲一个地方召开。下一次会议将于2011年在赫尔辛基召开;接下来几 年将陆续在波尔多、布加勒斯特、威尼斯召开。图12展示了我和ESSCIRC2007主席Doris Schmitt-Landsiedel教授、SSCS执行理事Anne O’Neill在慕尼黑的合影。

图12 Willy Sansen, Anne O’Neill, 和 Doris Schmitt-Landsiedel 在慕尼黑的ESSCIRC 2007会议

我参加了所有的ESSCIRC会议,除了两个——这两次我都在美国休假。它已经成了设计者、管理者、学者等讨论项目和各种合作的在欧洲最重要的聚集地。这是为什么我发现参与所有列入IEEE Xplore的ESSCIRC,甚至1975年的第一次,如此重要。

国际固体电路会议(ISSCC)是ESSCIRC的大哥哥。它是固体电路界最重 要的会议,因为它有最高的与会人数和发表的论文数之比(大约是15,这个数字比其他会议高很多)。在鲁汶,这个数字被称为Sansen因子因为我经常用它 来比较会议并建立它们的优质因子。在ISSCC上发表一篇论文足以让全世界都知道。这样做极大地促进了公司的项目,因为所有公司都参加ISSCC。我不能 看出一个模拟设计者怎样才能跳过这个会议而仍称自己是专家。

我是第一个成为这个会议的项目主席的欧洲人。这是在2002年。这一年以前,在 2001年9月11日,我在前往华盛顿出席论文排序会议的飞机上。我从没这样过。在飞机应该着陆前几个小时,它改航飞往纽芬兰省圣约翰市。没给出任何解 释。我们是停在那个小飞机场门口的五架飞机之一,我们在飞机里面等啊等。几个小时以后,17架飞机并排停着。当我最终用我的三重频带手机和夫人接通电话, 我努力让她安心说我遇到一个小延误并且很快继续飞往华盛顿。她说:“让我告诉你发生了什么。”她已经在电视上看到了这一切。我不能让我飞机上的邻居相信发 生了什么。我们花了几个小时才从飞机上出来进入一辆大巴前往圣约翰的冰球体育场。在那里我们看挂在冰上的大屏幕和那架飞机一次又一次撞击塔而看到麻木。然 后我们坐上另一辆大巴并在圣约翰市游荡收集宾馆的人们,那里被送去了太多人。最终,我们到了一个叫神圣之心的学校的一个橡胶垫上。我在和其他15个人在 412教室。我们感觉极度疲惫并很感激神圣之心学校,这一幕我历历在目。三天以后我成功回到家里。这之后再也没有论文排序会议了。会议电话取而代之。


有趣的电路

像ISSCC和ESSCIRC这样的会议报告模拟设计的各个方面。大多数电路使用基本

的电路模块构成。我们都知道电路模块都是用差分对和镜像电流构建的。然而,这里有一个应该得到更多关注的电路模块。它是个四输入差分电流放大器(见图13)——所有模拟电路中最有趣和万能的信号处理模块之一。它有达4个输入和2个输出,能工作在近0.5V的供压。

图13 (a)四输入差分电流放大器(b)电压输入

这个电路是一个镜像电流的两个共源共栅级插入的结果,第一次由Rijns完成。只有输入电流I3和I4被用到。另外两个输 入电流I1和I2可以被加上,导致出一个双电流差分放大器。通常不是所有输入电流含有交流分量,但它们可以。这种情况下,输出电流在图13(a)中给出。 输入电源的一部分可以用电压源来替代。一种聪明的引入电压源的方法如图13(b)所示,它把这个放大器转换成AB级放大器。许多设计者称为了节省能耗,未 来所有模拟电路都将会是AB级。然而,失真会阻止他们采取这样的路线。或许这个有趣的电路最大的挑战是它能在很低的供压下工作。无论哪个通路,它都只需要 一个VGS+VDSsat的电压。对于一个0.3V的VT,供压因此可以仅仅为0.7V(如果晶体管在微弱的反相工作,会小更多)。 会议上多数注意力在模数转换器(ADCs)和Δ-Σ转换器上。我第一次听说Δ-Σ信号处理是1978年从意大利比萨大学的一个信号处理领域教授那里听说 的。他想要用Δ-Σ技术来抽取心电图(ECG)信号的基本参数。后来,我的第一个博士在Frank Op ‘t Eynde的指导下把这样的技术用于非对称数字用户线路(ADSL)技术(1990),以安特卫普的阿尔卡特公司的名义。 Δ-Σ转换器的美丽在于你不用知道它的全部也可以让它工作。所有技术参数都和失真与噪声有关,它们是模拟设计基本的限制。此外,它混合了模拟和数字信号。 这是为什么它对任何声称要成为更好的模拟设计者所必须掌握的。我的学生和我从那时起已经设计了如此多这样的转换器! Δ-Σ转换器努力做功耗妥协,所有ADCs,而且所有模拟电路都面临着同样的挑战。事实上,功耗用来增加速度和减少噪声(和失真)。所有品质因数因此包括 功耗、信噪比(SNR)或信号噪声失真比(SNDR)、和速度。多年来看这些品质因数来怎么改变已经成为一种兴奋,但它们从来不像要饱和的样子。然后,不 清楚这是因为技术的进步使得它们的沟道长度一直减小,还是由于设计者的独具匠心。

网上模拟设计

一些设计者在做模拟设计中失去了他们的快乐。他们再也不能接受来自可能成不了最 好的设计者的挫折感。他们看着可能的选择。他们在网上寻找模拟IP。当然,他们绝不会找到他们要找的东西——那根本不存在。然而,搜索是很好的。它产生接 下来设计什么的想法。出售IP是个好生意:它们一夜之间就可能过时,常常是因为技术升级或技术参数被稍微改动。它像气泡一样出售,那么谁会说能够出售气派 不是好生意? 基于网络内容的模拟设计是一种短期答案。设计者希望跳过insight阶段,无论如何解决问题。不用说,这是一种冒险的设计途径。一个已被设计的特定模块 的技术参数和设计者必须遇到的一样,这个概率很低。当然,技术参数的相对重要性是不一样的。网上找到的模块因此不是最佳的,从对应于所需要的速度、噪声等 的功耗的方面来说。对非最优的设计满意的设计者的确能凭借搜索关键词IP 模块在网上找到一切。然而,他们决不能提供最好的答案。

此外,从网上挑模块让设计者跳过了设计中最重要的任务,那就是建立insight。随着时间推移请我们不要怀疑insight。没有insight的产 生,大量时间会被浪费。如果设计步骤正确,短时间内也能得到许多insight。模拟设计变得越来越复杂,而数字设计用来解决简单的问题。只有更好的 insight才能满足永远复杂的模拟答案的设计。更多insight是一种长期的答案,是设计者本身的未来的一种投资。 没有insight模拟设计是不可能的。通常的电子学并非如此(见图14)。在网上搜索百科全书不会有大帮助。

图14 模拟设计比普通电子设计需要和服从更多的insight

Insight让设计者在无数技术参数中“抓住”正确的妥协。模拟设计需要妥协。人生也是!另一方面,做出妥协很有趣。它给一个人以能力的感觉。模拟设计,和它的妥协,引导出更大的insight。它产生直觉,要变得对下一个设计更有效率,直觉是很必要的。

问题是这样的:如果我们同意创造一个专家需要10000个小时,那么我们怎样改变网络内容从而我们需要小于10000个小时就做到?很清楚,像多数出版纸 制品一样的含有图片的文字的叠加,不是正确的格式。同样很清楚,网络的使用总是断裂的。我们绝没有投入足够长时间的精力去完全消化我们阅读的东西。在更多 技术方面,网络反馈的是短期或工作记忆而不是对insight有增长作用的长期记忆。使用网络改变我们的大脑。当然正面的改变会超过负面的改变。我只是不 能相信掌握大量数据只会带来负面效应。

我们怎样把掌握大量模拟电路转变为一种优势呢?我们怎样减少那10000个小时呢?我看有2个要求。我们首先需要选择,然后是数据层次。一些同行评审,需 要决定什么是值得阅读的。举个例子,一份像IEEE固体电路大会这样的综述是必须的。我们甚至可以走更远一步,评审者的评论和他们的名字可以同内容一道出 版。这样,做一个更有效率的选择将会是有可能的。

第二个要求是层次。技术论文仍像几世纪以前创作的文本一样的方式书写。他们包含连续不断的文字和图片。很显然有另一种方法来传递一个模拟电路后面的信息。在最高的层次上,我们需要一些索引; 下面一个层次,需要一个摘要;然后是所有技术参数;然后是一个电路;然后是所有子电路;最后,它是怎么和为什么工作的。有了这样一个层次,在网上浏览会更有效率。

为什么音乐产生更好的模拟设计

早年玩音乐导致更好的左右脑连接。它当然在我的人生中扮演了重要角色。在我7岁的时候音乐出现在我面前,它从没离开 过。作为一个小孩,我在当地乐队学会了音乐。我爸爸想学会念字之后,读音乐是自然的第二步。一年以后,我收到一个礼物单簧管来吹奏。它必须很小因为我才7 岁。这是我如何开始吹奏一个E调单簧管,这我保持到16岁。然后我换去吹B调单簧管,它差不多比E调的长50%重50%,但它能吹出如此甜美的音调所以我 仍然在吹奏它。

当地乐队不是个草坪乐队。它包括单簧管手,扮演着交响乐团中小提琴手的角色。它主要表演古典影月,特别是歌剧选段。我加入了那支乐队因为我爸爸在那里吹奏 长笛,我爷爷也是成员,他演奏bariton——一种更小版本的大号。

我在这个乐队演奏直到我去上大学为止。在那儿我学会了双簧管并在大学的交响乐团演奏。我大学的最后一年,我在根特的心理声学和电子音乐学院(IPEM)上 了一个课。我发现这非常有趣因为我最终形成了一些在电学信号和他们产生的声音之间的关系的insight。这也从未离开过。

现在我在一个演奏古典室内音乐的三重奏里演奏单簧管。图15所示的照片摄于2006年,是在一个勃拉姆斯单簧管三重奏排练之后。

图15 由Raoul Vereecken (钢琴), Willy Sansen (单簧管), 和 Arthur Spaepen (大提琴)组成的三重奏

为什么音乐跟模拟设计有很多相似之处是有很多原因的。它需要妥协,而且它很有 趣。你永远达不到完美。那里总有提升的空间。你在这方面做得越多,你建立起越多insight和直觉,这能让你下一次表现更好。 此外,音乐诗在一个更高层次的交流。它反馈给你直觉和思考能力。它能产生和他人分享,事实上是更丰富的感情和感觉。它提升了生活的品质。


一个更好的老师

一个好老师要满足两个要求:他是一个专家,而且他富有热情地展示他的知识。也许 我们都知道这,但不止这些。Gardner写了一本优秀的关于教育的书籍。 我第一次经历我叫做“教育的二分法”的事情是我开始去向其他学生解释乐谱阅读时。到14岁时,我懂得足够的音乐知识因此我和其他五个同学一起参与教音乐, 学生是在比利时波珀灵厄我的学校成立的一个新乐队。那是一种奇怪的感觉。 首先,你对学生似乎并不懂对你来说很显然的东西而烦恼。你感觉被迫地去展示你的确知道。这是那么容易允许你自己炫耀!另一方面,你为似乎不懂如此基本的信 息的人为遗憾。你从哪里开始去帮助他呢?我逐渐明白帮学生学会你知道的1%,下一次学会另外1%是足够的。在一个课堂上一个学生马上明白被教的至少1%真 的很重要。没有掌握一些东西他不能离开教室。在所有方面至少一样必须被解释得非常详细。我从没忘记这点。它让我成为一个更好的老师。

我第二次学习教育是我17岁上中学时。同学们被鼓励坐在我教室里的座位旁边来讨 论数学和物理问题的答案。让我吃惊的是,居然有这么多人来,虽然我并不知道所有答案。从这里我学习了discere docendi,意思是“以教为学”。如果你被迫去解释一些你不知道的东西,然后那个问题中会出现一个裂缝,光就照进来了。 我第三次学习教育是在比利时鲁汶大学固体物理实验室。这个实验室和Roger Van Overstraeten教授的固体物理课程有关,他几年以前开始教这个课。我需要向同学们讲解如何制作一个台面二极管和如何预测它的性能。准备好了是指 你懂得关于它的所有事。然而,在这个时候我不确定我能否把我的insight富有热情地表达出来。 我第四次介入教育是在加州伯克利大学作为Bob Meyer 和 Paul Gray研究和教学助理。这里学生的背景比在鲁汶的学生更多样化。有时需要一番努力才能让他们对事情明了。从这儿我学会了很多。 从那时起我已经做了很多教学工作,而且我仍在教模拟设计。我仍然想要知道关于它的一切,我努力去富有知识和热情地展示材料。我由衷地努力压制炫耀的趋势, 但我要确保每个听课的人至少听懂我教的1%。每次我解释一些我不懂的东西,更多的光会照进来。那道光是教学的美丽之处,特别是无限复杂的话题比如模拟设 计。 现在我用我的幻灯片课本来教学。这些幻灯片我也用来展示关于它的一切。每张幻灯片只展示insight的一个三角洲。这样,同学们跟随上进度是没问题的。 之后他可以再阅读我说的东西。我把它叫做模拟设计要领。这些幻灯片包括一个只读型光盘,所以其他老师也可以用它。不少人用。 没有内容或没有热情都没有教学。内容与工业合作才能都发展。企业指导在市场中什么能成功。他们知道接下来什么该被发展(或研究)。这是我为什么为GTE公 司的一个专用自动电话交换机(PABX)系统而参与到4个10-μm PMOS设计中去,这时1973年我才刚在比利时立足,就在我在伯克利拿到博士学位之后。我从来没有放弃努力和工业界共事。我职业生涯一答部分花在收购工业界的项目上。然而,这一点儿也不容易。“为了着手做不必去希望,为了坚持不必去成功。”是我的座右铭,由15世 纪知名前辈比如Charles the Bold 和 William of Orange阐述的如此好。

在我的教学中大多数技术内容是从我大学团队的博士论文中得出的。把博士论文的内容转变成可以用于教学的一打PPT幻灯片是一项很有益的锻炼。说实话,有时 候我这样做之后我才完全明白一篇论文讲的所有东西。

大多数我的教学已经在比利时鲁汶大学实施。我最后一次上课时在2008年五月(见图16)。

图16 2008年作者最后一次在鲁汶上课

同时,我已经在洛桑为MEAD教育做讲座。因为很多著名的演讲者在洛桑露面,我很开心和他们在一起(见图17)。它是极少数几个向所有演讲者分发来自与会者评论的机构之一。这个反馈帮助我很多。

图17 洛桑的演讲者:(左至右)G. Temes, W. Sansen, H. Casier, E. Vittoz, 和 B. Gilbert.

当然,当我在学术休假时我总是教模拟设计课。我上一次在美国休假是1984年在费城度过,Jan Van der Spiegel 和 Ken Laker(见图18)组织了一次旅行。这次停留导致了一本完完整整的教科书,可惜已绝版。

图18 (左至右)W. Sansen, J. Van der Spiegel, 和 K. Laker 在费城

教学老师更多回报,因为他们要把信息传递出去。我最近多数教老师的课程去年由IMEC组织。这些老师都来自中国不同的大学(见图19)。他们的热情和约会真是势不可挡。

图19 2009年在中国教学

比利时鲁汶大学我们ESAT-MICAS组织和来自全世界的企业共事,包括欧洲、美国、日本和很多其他地区。现在我已经开始教相同的企业——一种理想的交 流。我们也支持了许多我们ESAT-MICAS组织的分支。第一个是Silvar-Lisco;后来是Ansem 和 ICSense;最近是zenso,以后会有更多。这样,就形成了一个闭环。

给学生的建议

因为我已经成为一个老师这么长时间了,所以我有一些给学生的建议:

1)成为一个专家。一生中必须至少有一个小东西你懂得关于它的一切。它以后可以被扩展,但滋养那个“世界第一”的东西。不要畏惧深度!定期地阅读和咨询一个IEEE期刊,并定期更新你特别懂的领域的知识。

2)作为一个专家被人熟知。别人知道你是一个小领域的专家很重要。在一次会议或研讨会上让他们指导,或者在当地的研讨会上展示你的知识。

3)在国际性层次上玩;做一个国际性交流者。不要忘了世界正越来越全球化。被全世界熟知。

4)做展示。分享知识和经验和交流一样重要。为了所有人的利益在技术上发挥作用。

5)成为IEEE会员。这会促成以上所有建议。

结论和致谢

我热爱模拟设计因为它和妥协打交道,就像人生本身。它推动你去做你的做好。我已 经努力解说某个其他活动怎样能引导你做更好的模拟设计。一个人第一次接触的技术玩意儿当然起一定作用,但一个人在人文和任何其他塑造你人生的事方面的经历 也有作用。 最后,和同事、朋友们的联系能照亮模拟设计(人生)中的答案。这就是为什么我想要尊敬那些优于我和帮我选择正确的路的人。他们包括Roger Van Overstraeten,他是我在鲁汶的硕士生论文建议者,在我读完伯克利的博士后说服我回到鲁汶。我从Bob Meyer那里学习了失真和噪声,他是我在伯克利的博士论文建议者。我还想提一下Hugo Deman,他总是领先几步。他在60年代后期与我同在鲁汶大学电子工程系的同一个办公室里做研究助理。70年代早期他与我同在伯克利,他和我一样久在鲁 汶工作。 我和我的博士分享了我在模拟设计方面的大多数冒险。我把他们全部列在侧边栏了,我感谢他们为大学里所有的美丽和有益的共度时光。我也从和大学里ESAT- MICAS部门的同事的交流中得到了很多快乐。在那里第一批加入我的是Bob Puers 和 Michiel Steyaert;然后是Georges Gielen, Wim Dehaene;最近是Patrick Reynaert。我相信他们都是戴着更好的模拟设计者的光环而来,并且他们想要保持这样。我希望我没有阻碍他们设定他们自己的未来并且在大学里他们享受 像我一样很大的自由。他们都在图20所示的照片里,和他们的夫人一起;

这张照片拍摄于我们年度员工大会之后。

图20 ESAT-MICAS职员和他们的妻子




发表评论 评论 (2 个评论)

回复 jackzhang 2016-1-19 12:01
有人说翻译的不怎么样,可以推荐大家看一下原版的:http://bbs.eetop.cn/thread-293690-1-1.html
回复 孟良1988 2016-5-2 19:52
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