要點(diǎn)
1.原美國國家半導(dǎo)體公司的設(shè)計(jì)人員提供了在30年~40年前做IC設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)性景象，以及這些經(jīng)歷如何造就了今天的IC。
2.設(shè)計(jì)人員開發(fā)了所謂的工裝盒(kludge box)，用于驗(yàn)證設(shè)計(jì)的性能，有時(shí)也被用作后續(xù)生產(chǎn)的測試設(shè)備。
3.設(shè)計(jì)者用仿真工具做驗(yàn)證，但他們必須先做手工計(jì)算，而到80年代中期以前，做面包板一直是標(biāo)準(zhǔn)的方法。
4.凌力爾特公司共同創(chuàng)建人、工程副總裁兼首席技術(shù)官Bob Dobkin在原美國國家半導(dǎo)體公司度過了他的早期設(shè)計(jì)歲月，他創(chuàng)造性地使早期運(yùn)放超過了1MHz帶寬極限。
歷史極具啟發(fā)性，從中能看到我們前輩的成功與失敗，告訴我們在生活中要避免什么和效仿什么。日常生活中如此，模擬IC和模擬電路的設(shè)計(jì)中也如此。創(chuàng)新型開發(fā)人員與創(chuàng)新性開發(fā)成果造就了21世紀(jì)的今天我們在設(shè)計(jì)中使用的模擬產(chǎn)品。本文深入探討了原美國國家半導(dǎo)體(NS)公司、德州儀器(TI)公司和凌力爾特(Linear)公司早期精密運(yùn)放的開發(fā)工作。下一期還將關(guān)注Burr-Brown、ADI、Microchip和Maxim，以及模擬技術(shù)領(lǐng)域的先驅(qū)們。
運(yùn)放IC的起源
經(jīng)歷了IC發(fā)展過程中的痛苦后，有些設(shè)計(jì)者脫穎而出。其中一些人曾供職于原美國國家半導(dǎo)體公司(現(xiàn)在已被TI收購)，他們正指引著芯片設(shè)計(jì)工程師走出一條全新的成功之路，從而讓電路設(shè)計(jì)者獲得今天高要求市場所渴望的那種下一代IC。TI專家Dennis Monticelli表示，計(jì)算機(jī)發(fā)展的故事也是IC發(fā)展的故事，兩者無法分隔開來。他的合作人—首席技術(shù)官Erroll Dietz回憶起模擬IC的初期歲月，認(rèn)為那是“電子的蠻荒西部”。這些設(shè)計(jì)者在工作中采用自己制定的設(shè)計(jì)規(guī)則，使用晶體管工具包的器件，用帶插座的覆銅板作為設(shè)計(jì)工具，以及使用分立的電阻與電容(圖1)。
TI公司著名技術(shù)專家Mike Maida稱：“工具包的器件都是在線性IC晶圓生產(chǎn)線上制造的晶體管，用金屬殼做外封裝。設(shè)計(jì)規(guī)則在IC布局中用間距作為約束，例如：基極與絕緣、基極內(nèi)的射極，等等。設(shè)計(jì)者有時(shí)會(huì)對(duì)特殊情況找到自己的設(shè)計(jì)規(guī)則，如降低電壓，不過必須得到晶圓工程師的認(rèn)可。我們有小的透明‘尺子’，可以測量IC合成圖上的間距。”
設(shè)計(jì)者采用Level 2 Spice做仿真，它使用改進(jìn)的Grove方程，這是所有仿真器中最常用的MOS方程。HKJ Ihantola和JL Moll在1964年發(fā)現(xiàn)了這個(gè)方程(參考文獻(xiàn)1)。跨導(dǎo)在時(shí)間上的不連續(xù)性讓設(shè)計(jì)者遇到很大困難。例如，在數(shù)兆赫茲以上頻率做設(shè)計(jì)時(shí)，很難用面包板。Maida說：“仿真是70年代末期的事情，那時(shí)沒人仿真線性IC。”
同為TI資深技術(shù)專家的Don Archer稱：“對(duì)于強(qiáng)反型和弱反型之間的區(qū)域，Level 2 MOS模型有一個(gè)大的不連續(xù)性。當(dāng)工作在準(zhǔn)亞閾值區(qū)時(shí)，模型的不連續(xù)性對(duì)于收斂是一個(gè)大問題，并且，我們開始時(shí)還沒有建模小組。我們?nèi)y量工具包的器件，從而得到我們自己的模型參數(shù)。”
設(shè)計(jì)者還缺乏制作邏輯圖的能力，他們不得不手工輸入網(wǎng)表，包括射極、基極和集電極值，并手工生成一份邏輯圖，以檢查這些值的準(zhǔn)確性。然后，他們再為手畫的邏輯圖加上仿真結(jié)點(diǎn)號(hào)。網(wǎng)表中的各個(gè)行可能看上去是這樣：Q1 8740NPN1，它代表了NPN1型器件，集電極結(jié)點(diǎn)為8，基極結(jié)點(diǎn)為7，射極結(jié)點(diǎn)為4，而基板結(jié)點(diǎn)為0。每只晶體管、電阻和電容都必須輸入類似的一行。
TI 公司技術(shù)總監(jiān)FarhoodMoraveji說：“如果要看波形，我們就得用繪圖和打印指令，設(shè)定要打印或繪制的結(jié)點(diǎn)。對(duì)于分層的更復(fù)雜電路，我們必須采用子電路指令。后端工具根本不存在或很粗糙，DRC(設(shè)計(jì)規(guī)則檢查)與LVS(布局對(duì)邏輯圖)檢查都不是自動(dòng)的，同事們用它做獨(dú)立的手動(dòng)LVS檢查，驗(yàn)證電路與布局的匹配性。”