我們還需要類比電路設計師嗎?

作者 : Bill Schweber,EE Times/EDN/Planet Analog資深技術編輯

為了解決問題並實現不同的結果,可以透過各種方式來實現。對於許多有抱負的工程師來說,這樣的電路設計工作,正是對「電子學」的一個很好闡釋。

設計、建構、測試和改進電路——尤其是那些主要為類比訊號的電路——一直是筆者的一項興趣。為了解決問題並實現不同的結果,可以透過各種方式來實現,包括利用標準的主動和被動元件,調整工作點,平衡取捨,克服缺點,提高性能,這些工作確實讓我著迷。我覺得對於許多有抱負的工程師來說,這樣的電路設計工作,正是對「電子學」的一個很好闡釋。

不過,最近我一直擔心,這種基本的電子設計工作是否還有很大的需求和未來。目前的現實情況是,大多數電路都整合內嵌在IC中,無論是數位電路還是混合訊號電路,甚至是類比電路。當然,仍然有許多最小功能的IC,如運算放大器或LDO,以及每年銷售的無數的離散電晶體,如2N2902和2N2222等。儘管如此,現在大多數電路設計工作,都包括選擇合適的IC,並讓它們依照設計預期協同工作。

與其試圖弄清楚如何採用更少的週邊元件,或讓IC實現比通常預期的要多的功能,不如在實際電路中,讓IC實現那些在其資料表、評估板或參考設計中列出的功能。雖然可能需要對元件值進行一些調整,比如LED電路中的限流電阻的調整,或RC濾波器的時間常數設置等,但這些都是參數微調,而不是拓撲增強。

遠離經典電路設計

那麼,我的擔心有確鑿的證據支撐嗎?肯定還是否定。許多愛好者和創客網站,都專注於展示如何使用標準零件、使用說明書和參考設計來實現不同專案的各種設計目標,而不是從頭開始設計。此外,如果查看電子技術設計《EDN》的著名和流行的設計實例(Design Idea)部分,讀者們會發現新條目較少。回溯到過去自己DIY設計電路的黃金時代,那時的論壇都致力於利用巧妙的方式設計、增強和利用廣泛使用的IC,例如經典的555時基電路和被動元件,因此可以實現獨特的功能,並解決有趣的設計問題。

另一方面,我也確實在討論板和聊天網站上看到了許多創新、獨特甚至危險的電路(琢磨一下特斯拉線圈)。在許多情況下,這些不僅僅是電路原理圖,因為電路的物理結構才是真正的挑戰(圖1)。

 

圖1:從概念上講,像特斯拉線圈這樣的簡單專案,其實其技術複雜性遠遠超出原理圖所示。關鍵挑戰是如何獲取或建構元件,以及選擇適當的物理架構。

(來源:RIM.org)

 

遠離使用小型離散元件的經典電路設計的趨勢是不可避免的,因為IC已經遠遠超過基本的建構塊,它們現在是具有許多相互連接的類比和混合訊號模組的子系統和系統。此外,IC還可以更有效地實現用離散元件難以實現的一些功能(如果不是不可能的話),參見圖2。

 

圖2:類比電路設計者的經典之作——六電晶體AM無線接收機(上),已被單晶片收音機淘汰,比如具有更先進的射頻前端和更複雜的訊號處理模組的FM接收機(下)。

(來源:AngleFire.com和Electronics-DIY.com)

 

IC和離散元件電路的比較

設計IC與設計離散電路是完全不同的學科,因為前者不僅僅是後者的整合版本。這兩種方法的設計路線、約束、選項、規則、工具和基本方法都非常不同。雖然IC失去了靈活性,但可以實現不同的拓撲結構,而這對於離散元件來說非常困難。

這裡有一段有趣的歷史。在1950年代發明了最重要的平面電晶體製造技術(隨後導致IC誕生)的Fairchild半導體(也稱為「叛徒八人」,Fairchild已被安森美半導體收購)的八位創始人中,其實只有一位接受過正規的電子工程和電路設計培訓或具有相關經驗。其餘的人分別是物理學家、機械工程師、化學家和冶金學家。

維基百科有一篇關於這八個人的有趣文章,該篇文章具有可靠的參考資料。

我並不是說經典電路的減少一定是一件壞事,但我確實擔心電路設計和修正技能的弱化,是否正在從根本上改變電子工程師的作用,或者說電子工程師應該如何在設計挑戰中定位自己。

或許在未來,當需要解決從輕微(錯誤的元件值)到嚴重(不合適的拓撲)的電路問題時,只能召喚一小部分稱為設計專家的精英人才。屆時,設計師繪製實現基本功能的電路,並將多個功能塊整合到單個IC中,提供可靠的端到端性能,並允許IC使用者調整工作參數,但他們卻無法改變拓撲或基本功能。

居於中間的是絕大多數工程師,他們透過組合IC、微調性能、編寫軟體(無法避免)、解決系統整合問題、處理EMI/RFI和監管要求,以及類似問題,來設計他們的產品。同時,DIY實驗者將利用Arduino、Raspberry Pi,以及類似的單元來完成他們的專案,並使用最少的外部電路。

如何看待經典電路設計在工程領域中不斷變化的角色?你是擔心,還是真的輕鬆自若?當失去專業技能時,是將其視為一個潛在的問題,還是將電路設計提升到一個新水準的機會?

(參考原文:Do we still need analog circuit designers?,by Bill Schweber)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年4月號

 

 

 

 

 

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