電路人生——微電子集成電路大牛Willy Sansen自傳

來源：內容來自EETOP，謝謝。

作者簡介：Willy Sansen教授於1972年從加州大學伯克利分校獲得博士學位；從1980年起在比利時天主教魯汶大學擔任全職教授。從1984年到2008 年，Willy Sansen教授擔任ESAT-MICAS實驗室的模擬設計帶頭人。他指導過63名博士，發表過635篇文章，出版了6本專著。他是IEEE Solid-State Circuits Scoiety的前主席，並擔任過2002年 國際固態電路會議的程序委員會主席。2011年，Willy Sansen教授由於在固態電路領域做的突出貢獻被IEEE Solid-State Circuits Scoiety授予Donald O. Pederson獎。Donald O. Pederson獎是IEEE固態電路的一個技術領域獎，該獎每年由IEEE固態電路委員會頒發給那些「對固態電路領域有突出貢獻」的人。同時他還是 IEEE終身Fellow。Willy 教授分別於1978年在斯坦福大學，1981年在洛桑聯邦理工學院，1985年在美國費城賓夕法尼亞大學，1994年在T.H. Ulm，2004年在菲拉赫英飛凌任客座教授。

我很榮幸受邀來說說我自己，但我想說的很簡單。那就是我一直在努力做一個更好的模擬設計者。我會解釋我一生中哪些方面促成了這一切。或許這會幫助你也成為一個更好的設計者。 模擬設計永不止步。永遠有東西被發明或改進。進步一直有可能出現。但在努力實現最優的解決方案的路上，設計者可能會沮喪。儘管他知道他不可能真正找到最好的答案。這是個持續不斷的沮喪。也許他會藉助於醉酒，或者聽一聽音樂，來忘掉這不愉快。 1999年在夏威夷舉行的超大規模集成電路會議上，我在演講開始表達了模擬設計既是科學又是藝術的想法。藝術充滿了靈感，而科學充滿了insight。模擬設計則兩者都需要。基於電流和電壓來構造你的放大器和濾波器的功能就是這麼奇妙。這給你很大滿足感同時又帶來沮喪感，因為這裡永遠存在做得更好的可能。

模擬設計不僅僅只關乎電流和電壓。事實上，他還娶了雜訊和失真為妻。她們在電路圖中看不到，所以更難以處理好。這些 就是前面所說的因素所在，然而他們在藝術和音樂中至關重要。 在本文中，我會努力發現在模擬設計中，科學在哪裡停止，藝術在哪裡開始，或者反過來？藝術會讓你成為更好的模擬設計者嗎？音樂會讓你成為更好的模擬設計者 嗎？抑或你僅僅從網上尋找這一切？ 我會基於自身經歷來回答這個問題。其中有許多都和我有幸指導的博士生有關。我經常引用文獻的原因，就是要給出他們的名字和畢業的時間。在下面的 《Willy Sansen 指導或共同指導過的博士生》中將給出完整的名單。本文因此在相當程度上是一個什麼讓我成為更好的模擬設計者的個人清單。

我的第一個電子玩物

當我還是個小男孩的時候，我對看不到電流是否在流動的現象很好奇。看著五顏六色 的導線在布滿了元器件的電路板和連接器之間穿梭，我不能分辨這一切是否在工作。這就是一個喇叭的美妙之處。沒人能看出是否有東西進出，但播放出來的音樂的 確美妙。我依然認為音樂是這麼多工程師被引誘到模擬電子世界的最重要原因。在我7歲開始玩音樂的時候我就深信於此。 因此我開始把不同的器件連接在一起：把錄放機和收音機連在一起，把寬頻記錄器和帶有分離喇叭盒的放大器連在一起，等等。並不是所有的組合都能工作，因為一些以後我才能懂得的原因。

我16歲那年，我在中學加入了如何搭建一個無線電接收機的課程。我學了歐姆定律和基爾霍夫定律的應用，並構造了一個無線電接收 機。它是一個美麗的收音機（見圖1）。它有一個具有大銀色圓頂和四個引腳的真空管 Valvo 385。電子管的旁邊是一個Amroh Mu-CORE 超外差線圈。輕輕撥動前面板上的雲母變容二極體，你就可以通過耳機聽到廣播了。這時我就想，也許我應該做更多。

圖1 我的第一個收音機

我開始用MBLE公司生產的套件搭建放大器和收音機，MBLE是一家做了像 Heathkit公司一樣工作的公司。我把BBO 845重命名為2*10-W超線性高保真放大器，它可以用MBLE的9710M喇叭放出美妙的聲音。我經常在姐姐的派對上用它放音樂。我的幾個朋友對於能 夠以這麼低的價格搭建一個放大器非常高興。 然而，最令人驚奇的無線電接收機是我的Galene裝置。它只用了一個晶體和一個變容器，甚至沒有電池！電路圖如圖2所示。它非常簡單。它也需要電線作為 天線，還有一個2kΩ的耳機。中學的時候我在床下面拿它來聽布魯塞爾的廣播。金屬的床墊網格就成了天線。不需要電池或者太陽能就能播放聲音令人驚奇。

圖2 無電源Galene收音機 接收器B是可變電容，D是晶體。

我在中學學到最重要的東西是「mens sana in corpore sano」，好身體孕育好精神，意思是如果你感覺良好，你就能做的好。比利時的中學教育是你以後人生的基礎。我去阿爾斯特的耶穌會學校上了學。這兒是人文 科學的真正中心。大部分時間花在人文科學和像拉丁語、希臘語、法語、英語和德育這樣的語言學上。由於花了這麼多時間在人文和語言上，我不得不在學習工程學 之前在大學花了一年時間在數學上。

我從耶穌會學校學到的另一個東西是即使最好的東西也不夠好。這個思想從沒離開過我的頭腦。我會向聽我說話的任何人解釋說你必須在你的學科成為世界最佳。如果十年以後這還不明顯，你最好嘗試點別的。

當然，總是追求最好必然帶給你很多挫敗感和壓力。為了抵消這些，我在辦公室里掛了一張鎌倉大佛的照片。很多年裡這是我辦公室唯一的照片。那裡沒有炫耀的牌 匾，沒有讓我分心的妻子和孩子的照片，只有鎌倉大佛（見圖3）。參觀者認為我喜歡旅遊，確實我喜歡。但這和旅遊沒有關係，僅僅是追求a mens sana in corpore sano。這裡要解釋一下：1981年我作為Osaka Jaycees選出的第一屆十大傑出青年（TOYP項目）之一被邀請到日本。兩周的時間裡，十個歐洲人了解了日本文化、生活方式、經濟等。另一個比利時參 與者是小提琴家Edith Volckaert，很令人悲傷，他幾年以後英年早逝。我是其中唯一的工程師。我一度花了24個小時在一家佛教客棧討論宗教和打坐。在這裡我學習到四大皆空的成語是一條通往佛化和更多生活快樂的路。我發現這是對總想成為最好的痴迷的反麻醉藥。從此我在我大學裡的辦公室掛起了鎌倉大佛（鎌倉是橫濱附件的一座城市）。至少十年時間裡它是我辦公室里唯一一張照片。它提醒我大多數失誤並沒有看起來那麼重要。

圖3 鎌倉大佛

我自己搭建的最複雜的設備是一台高頻自動增益控制放大器的測量設備。這是我的博士論文，1971年在加州伯克利大學Bob Meyer的指導下完成的。（參考Bob Meyer對Willy的研究的一個綜述《Willy Sansen的研究：一個綜述》）。這全部都是關於雜訊和失真的。我學了接地和去耦合來讓它工作。然而，在當時我不能說這是全部都關於硬體的。我們在算出 想要的東西時得到了早期版本的SPICE的極大幫助。我甚至寫了SPICE的第一個傅里葉分析去查明我的電路里究竟存在什麼諧波。

我自己搭建的最後一個電子設備是為一家小公司做的12路公共地址系統和一個用於數字門電路演示板的10V/10A 電源。那時我23歲，完成了大學學業和兵役，迫切要進入實際微電子設計領域。到那時我已經形成了測量設備的意識。的確，我被教導過沒有測量就沒有模擬設 計，沒有硬體就沒有模擬設計。

我最後一次和硬體打交道時在一次我的學生組織的實驗室內部比賽中。我們需要在盡量短的時間內搭建一個觸發器，而且要能工作！Wim Dehaene和我第一個完成比賽（見圖4）。

圖4 和Wim Dehaene一起做觸發器

無處不在的圓

如此多的電子設備正湧向我們的世界。持續增多的工具控制了我們的生活。這一切從 哪兒開始的呢？最簡單的電子設備在哪裡？什麼最先出現的呢？ 一個電子工程師在實際中最先碰到的事情就是測阻抗。的確，在整個電子領域，施加一個電流然後看產生什麼電壓或者施加一個電壓然後看產生什麼電流可能是最基 本的事情。早期的例子有放大器的輸入和輸出阻抗的測量，電阻式感測器的特性，生物阻抗的處理等。更近的例子包括水果新鮮程度的測量，牆壁濕度的測量，活組 織中電極接觸電阻的測量。

圖5 (a)電路(b)RC低通濾波器的圓

所有類似測量都服從於相同的電學模型——一個並聯RC電路串聯一個小損耗電阻，如圖5所示。在波特圖中，這個阻抗 看起來像一個低通濾波器，但在極坐標圖中，它是一個圓（見圖5）。很容易就知道所有的阻抗都服從於圓——無所不在的圓。

一個圓的美麗在於你知道它是一個圓。結果，曲線擬合允許高精度參數的提取。一個著名的例子就是雙極性晶體管阻抗的測量，串聯電阻r是看做放大器的晶體管的 基本電阻。並聯RC電路由rπ和Cπ構成。最低頻率是增益截止頻率fT除以晶體管的beta值。這個測量完全描繪了晶體管的特性。像這樣一個測量很容易移 植到有柵漏電流的MOS晶體管中去。

現在的問題是當你插入兩個電極要測量一個蘋果、香蕉或者活組織的阻抗，施加一個持續的電流，找不到這樣的圓。它是一個中心偏離坐標的橢圓或圓，如圖6所 示。出現了一個新的參數叫做φ，它不是90°。

它是由圖6中電阻和電容的分布特性造成的。電阻不再是一個分立的電阻而是一種RC傳輸線。這也是蘋果的細胞結構造成的。新 鮮的蘋果具有較強的紋理結構，因此造成φ接近於90°。軟軟的蘋果服從於更低的F值。這就是為什麼參數φ可以用來作為蘋果、香蕉或獼猴桃新鮮度的衡量指 標。

圖6 組織或水果的阻抗

現在這個阻抗可以用圖6來描述，其中參數n與新參數φ有關。至於圖5中的分立結構電路，參數n不再統一，而是介於0.6和 0.8之間，取決於材料的紋理結構（水果的新鮮度）。比如，當n=0.8時，φ大約是75°——這是軟蘋果的典型參數。

電子工程師在此碰到一個問題。像RCs（其中s=jw）這樣的式子只有取決於濾波器階數的指數1,2,3,…。像0.6和0.8這樣的小數在電子電路中是 無法生成的。畫波特圖不再那麼明顯。一些無處不在的圓看起來像橢圓。我們不能再用恆定的電阻和電容值來表示阻抗。在某些領域，電阻值本身取決於頻率，電容也是。這是一個噩夢。我們都知道電容的阻抗取決於頻率，但電容本身決計不是。

生物阻抗也出現了類似的結果。活組織（或者鮮肉）中兩個電極之間的阻抗給出了一個如圖6所示的橢圓狀曲線。一般至少需要3個電極來從接觸阻抗中分離出大部 分阻抗。這是一個零級討論，然而，這裡只用了兩個電極。這個生物阻抗測量用來檢查電極和組織的接觸良好程度。它的應用寶庫心臟起搏器的電極和人工電子耳蝸的電極。畢竟活組織會排斥像電極這樣的外來材料。它在電極周圍產生一層隔離層，不時地增大R和C的值（見圖6）。表面阻抗會有類似的結果。很顯然，無所不 在的圓全部轉換成了橢圓。

我第一次測量生物阻抗是為一個骨折刺激器。滑雪事故中的骨折像其他骨折一樣經常不能癒合，因為這些骨頭被頻繁旋轉和分裂。每個電極加上50μA的陰極電流可以促進癒合。我們用一個主振蕩器和射頻 發射機搭建了一個四通道遙測系統來輸入這樣的電流，測量電極阻抗並把信息用無線遙測系統發送出去。這個系統源於和比利時魯汶大學醫院的 Pellenberg學院的整形醫生J. Mulier 和 M. Hoogmartens的一次合作。它在1980年日本舉行的生物遙測技術會議上展示。然而這個系統要能被植入生物體。眾多患者反對在未癒合的骨折上接受 植入而興趣衰減。所有的功能集成在一片1.3V供電的雙極技術的晶元上（見圖7）。這個系統是我們第一次進入生物領域的嘗試，所以我們叫它BIO 1。在無數醫學應用中，接下來會有很多。能夠做一些對醫學和人類有幫助的事情感覺非常好。

圖7 骨折遙測和刺激晶元

我們第二次涉足的是測量人工電子耳蝸的生物阻抗。同樣地，用一片晶元實現了內耳 或耳蝸的八通道電流刺激。耳蝸中的電流誘導聽力恢復。為了查明那個電極仍然在作用，也就是哪個電極仍然和組織具有低的歐姆接觸，必須測量這個阻抗。然後起 作用的電極必須用來刺激(Peeters, 1979; Van Paemel, 1990)。這項技術由比利時安特衛普大學的J. Marquet 教授和E. Offeciers教授開發。它是今天仍在發展的人工電子耳蝸技術長長發展之路的起點。 我們仍在測量生物阻抗，不過今天這種設備叫做伏安感測器。一張能過濾掉特定離子的薄膜被加在一個三電極結構之上。就構成了一個化學感測器。提供能找到的正確的過濾薄膜並附在硅基底上，它就可以用來測量葡萄糖或者膽固醇了(Lambrechts, 1989; Jacobs 1996)。

由於每年兩次的更小的溝道長度所增加的掩膜費用，設計被集成到多項目晶元（MPCs）上。我們從1983年春天開始做這個。1984年8月設計的採用3- μm CMOS工藝的MPC 4的一部分如圖8所示。在左側可以清晰地看到耳刺激晶元。用前置放大器和驅動連接在一起的化學感測器正面朝上在中間。

圖8 MPC4正面的耳朵刺激器和化學感測器

所有這些早期的生物項目都被歸類到生物電子學下面。這樣正確嗎？

生物電子學真的存在嗎？

現在，生物電子學是個熱門話題，正如它融合了這個世界上兩個最壯大的經濟：微電子和醫藥。事實上，電子學的醫學應用正是電子學的第一個應用領域。1750 年，電學刺激就已經被應用到人體所有可能的部位來提升它們的功能（見圖9）。由於這種方法被濫用而導致大多數歐洲國家禁止使用它。後來，它作為神經和很多 其他器官的功能性刺激重新出現。

圖9 大約1750年電學刺激的應用

我們為醫學應用做的第一個電子刺激器是用來幫助治癒骨折的，前面介紹過。這是生物電子學嗎？顯然，在一片晶元上很多功能的集成式微電子學。數據從體內到體 外的傳輸同樣是個技術問題。為此很多射頻耦合系統被開發出了。可能在組織或骨骼上電流的效應是生物電子學，但它事實上屬於生理學的範疇。

的確，我們的研究 繼續沿著這個方向：電學刺激對細胞生長的影響。這個研究仍在進行，而且將永遠進行。原因是細胞是活的材料。他們被刺激所改良，無論刺激是機械的、化學的、 電學的、或者磁學的。刺激的參數，比如幅度、脈衝寬度、脈衝列長度等，都必須為了保持有效而修改。 一些早期的晶元為全編程系統做了鋪路。因為技術參數一直在變，所以這種可編程性是很需要的。無論是因為一次會議而改變了想法的醫生，或是車間，或是患者變 化，或是應用領域，都不得不擴展。只有最大的市場——比如心臟起搏器、糖尿病患者、老年人的不便——能夠承擔得起定製晶元。其他的需要可編程的晶元。

一個這樣的可編程系統叫做人體內部調節系統（IHCS）。IHCS是為解決所有生物醫學問題的晶元的一個起點。它包含三個晶元，一個可編程前置放大器，一個可 編程刺激器，和一個工作在低頻的低功耗微處理器。

在我人生這個階段我學會了兩件事。第一，沒有生物電子學這碼事。電子學在醫學應用的所有方面都能被其他學科很好地覆蓋，比如微電子設計、生物化學、生理學 和矯形外科學。聲稱是生物電子學專家的人必須也是在這些方面都是專家的人。第二，沒有最終答案，只有進步。在技術領域比如電子學，會有一個最終的產品，它 依據有限的技術參數工作。在生物醫學領域不是這樣的。事物一直在改善；他們永遠不會達到最終狀態。所以，一個人的一生都可以奉獻給這些「生物電子學」問題 中的任一個。

更多歐洲層面的事

在20世紀70年代早期，我們都有點更歐洲化了。1976年，我成為布魯塞爾 Esprit諮詢委員會的一員，它是歐盟支持研究的第一個框架項目。大多數支付的資金都用於技術，就像12家公司——飛利浦、西門子和意法半導體名列其中 ——所說的這是歐洲的未來。現在框架項目7正在進行，內容更應用驅動化，這被認為是歐洲的未來。

大約同時，我成了半導體大學公報（SUB）的秘書長。SUB是歐洲擁有半導體技 術實驗室和半導體物理教學的大學的組織。它由屯特的O. Memelink教授、亞琛的W. Engl教授、勞萬拉奴富的P. Jespers教授、魯汶的R. Van Overstraeten教授創建。我成為這個組織的秘書長時，SUB已經擁有近30個來自全歐洲及南非的成員。成員需要在公報做報告和參加由某個成員組 織的年度會議。我發現在一些技術設備比如熔爐、濺射系統、離子注入設備等方面的討論很有 用。不同大學在微電子領域的教育規劃被討論和比較，這還是第一次。在歐洲半導體技術領域思想建立過程中，SUB扮演了重要角色。它成了所有半導體活動組織 的聚集地。這個歐洲網路在歐洲層次上獲取科研經費是必需的。然而SUB最近解散了，由於不同的泛歐州項目已經提供了足夠多的機會去見面和交換經驗。

一個甚至更有效的定義項目的網路是歐洲模擬研究網路（NEAR），由來自不同機 構和大學的代表D. Samani, H. Casier, D. Logie, F. Dielacher, L. Moore, F. Maloberti, Y. Tsividis, J. da Franca, 和 J. L. Huertas，還有作為主席的我，歐盟辦公室的D. Broster 和 M. Cecchini發起。NEAR的目的是在歐洲產生更多的模擬設計者。NEAR組織了研討會和定義了項目。我們還有一個NEAR新聞通訊，裡面列出了與模 擬設計相關的時事和對會議的印象。它還有一個用來討論問題的角落。你可以向模擬博士（見圖10）問具體設計問題的答案。它一度曾有220個成員。不幸的 是，由於缺乏歐盟的資金支持，NEAR四年後消失了。儘管如此，它仍是一個偉大的倡議。不管怎樣，這些年仍有很多模擬設計者問起它。

圖10 模擬博士

在我們領域合作方面歐洲最重要的發展史模擬設計進展研討會（AACD）的建立。 代爾夫特大學的Han Huijsing提出了模擬設計的真實研討會的想法。Rudy van de Plassche和我都贊同形成一個這樣的研討會，只要滿足三個條件：它必須包含三天，每天由6個邀請的演講人討論一個話題，每天的最後選出一個專家組。 它必須放在一個方圓100千米以內能找到100個設計者的地方。最後，它必須足夠貴以限制有60個左右參與者。（否則，它就不再叫研討會啦。）AACD於1992年在荷蘭席凡寧根開 啟（見圖11）並且仍在進行。第20屆AACD研討會將由Michiel Steyaert組織，於2011年四月5日至7日在魯汶召開。它是全世界最好的模擬設計研討會，因為它允許大量的討論。嚴肅地講，這是那些從事模擬設計 的人所必須的。

圖11 1992年AACD創始會員：（左至右）Rudy Van de Plassche, Willy Sansen, and Han Huijsing

我職業生涯中最重要的歐洲層面的事當屬歐洲固體電路會議（ESSCIRC）。第 一次會議於1975年在英國坎特伯雷舉行，我也參加了。ESSCIRC都是於九月在歐洲一個地方召開。下一次會議將於2011年在赫爾辛基召開；接下來幾 年將陸續在波爾多、布加勒斯特、威尼斯召開。圖12展示了我和ESSCIRC2007主席Doris Schmitt-Landsiedel教授、SSCS執行理事Anne O』Neill在慕尼黑的合影。

圖12 Willy Sansen, Anne O』Neill, 和 Doris Schmitt-Landsiedel 在慕尼黑的ESSCIRC 2007會議

我參加了所有的ESSCIRC會議，除了兩個——這兩次我都在美國休假。它已經成了設計者、管理者、學者等討論項目和各種合作的在歐洲最重要的聚集地。這是為什麼我發現參與所有列入IEEE Xplore的ESSCIRC，甚至1975年的第一次，如此重要。

國際固體電路會議（ISSCC）是ESSCIRC的大哥哥。它是固體電路界最重 要的會議，因為它有最高的與會人數和發表的論文數之比（大約是15，這個數字比其他會議高很多）。在魯汶，這個數字被稱為Sansen因子因為我經常用它 來比較會議並建立它們的優質因子。在ISSCC上發表一篇論文足以讓全世界都知道。這樣做極大地促進了公司的項目，因為所有公司都參加ISSCC。我不能 看出一個模擬設計者怎樣才能跳過這個會議而仍稱自己是專家。

我是第一個成為這個會議的項目主席的歐洲人。這是在2002年。這一年以前，在 2001年9月11日，我在前往華盛頓出席論文排序會議的飛機上。我從沒這樣過。在飛機應該著陸前幾個小時，它改航飛往紐芬蘭省聖約翰市。沒給出任何解釋。我們是停在那個小飛機場門口的五架飛機之一，我們在飛機裡面等啊等。幾個小時以後，17架飛機並排停著。當我最終用我的三重頻帶手機和夫人接通電話， 我努力讓她安心說我遇到一個小延誤並且很快繼續飛往華盛頓。她說：「讓我告訴你發生了什麼。」她已經在電視上看到了這一切。

我不能讓我飛機上的鄰居相信發生了什麼。我們花了幾個小時才從飛機上出來進入一輛大巴前往聖約翰的冰球體育場。在那裡我們看掛在冰上的大屏幕和那架飛機一次又一次撞擊塔而看到麻木。然後我們坐上另一輛大巴並在聖約翰市遊盪收集賓館的人們，那裡被送去了太多人。

最終，我們到了一個叫神聖之心的學校的一個橡膠墊上。我在和其他15個人在 412教室。我們感覺極度疲憊並很感激神聖之心學校，這一幕我歷歷在目。三天以後我成功回到家裡。這之後再也沒有論文排序會議了。會議電話取而代之。

有趣的電路

像ISSCC和ESSCIRC這樣的會議報告模擬設計的各個方面。大多數電路使用基本

的電路模塊構成。我們都知道電路模塊都是用差分對和鏡像電流構建的。然而，這裡有一個應該得到更多關注的電路模塊。它是個四輸入差分電流放大器（見圖13）——所有模擬電路中最有趣和萬能的信號處理模塊之一。它有達4個輸入和2個輸出，能工作在近0.5V的供壓。

圖13 (a)四輸入差分電流放大器(b)電壓輸入

這個電路是一個鏡像電流的兩個共源共柵級插入的結果，第一次由Rijns完成。只有輸入電流I3和I4被用到。另外兩個輸 入電流I1和I2可以被加上，導致出一個雙電流差分放大器。通常不是所有輸入電流含有交流分量，但它們可以。這種情況下，輸出電流在圖13(a)中給出。 輸入電源的一部分可以用電壓源來替代。一種聰明的引入電壓源的方法如圖13(b)所示，它把這個放大器轉換成AB級放大器。許多設計者稱為了節省能耗，未 來所有模擬電路都將會是AB級。然而，失真會阻止他們採取這樣的路線。或許這個有趣的電路最大的挑戰是它能在很低的供壓下工作。

無論哪個通路，它都只需要 一個VGS+VDSsat的電壓。對於一個0.3V的VT，供壓因此可以僅僅為0.7V（如果晶體管在微弱的反相工作，會小更多）。 會議上多數注意力在模數轉換器（ADCs）和Δ-Σ轉換器上。我第一次聽說Δ-Σ信號處理是1978年從義大利比薩大學的一個信號處理領域教授那裡聽說 的。他想要用Δ-Σ技術來抽取心電圖（ECG）信號的基本參數。後來，我的第一個博士在Frank Op 『t Eynde的指導下把這樣的技術用於非對稱數字用戶線路（ADSL）技術（1990），以安特衛普的阿爾卡特公司的名義。 Δ-Σ轉換器的美麗在於你不用知道它的全部也可以讓它工作。所有技術參數都和失真與雜訊有關，它們是模擬設計基本的限制。

此外，它混合了模擬和數字信號。 這是為什麼它對任何聲稱要成為更好的模擬設計者所必須掌握的。我的學生和我從那時起已經設計了如此多這樣的轉換器！ Δ-Σ轉換器努力做功耗妥協，所有ADCs，而且所有模擬電路都面臨著同樣的挑戰。事實上，功耗用來增加速度和減少雜訊（和失真）。所有品質因數因此包括 功耗、信噪比（SNR）或信號雜訊失真比（SNDR）、和速度。多年來看這些品質因數來怎麼改變已經成為一種興奮，但它們從來不像要飽和的樣子。然後，不 清楚這是因為技術的進步使得它們的溝道長度一直減小，還是由於設計者的獨具匠心。

網上模擬設計

一些設計者在做模擬設計中失去了他們的快樂。他們再也不能接受來自可能成不了最 好的設計者的挫折感。他們看著可能的選擇。他們在網上尋找模擬IP。當然，他們絕不會找到他們要找的東西——那根本不存在。然而，搜索是很好的。它產生接 下來設計什麼的想法。出售IP是個好生意：它們一夜之間就可能過時，常常是因為技術升級或技術參數被稍微改動。它像氣泡一樣出售，那麼誰會說能夠出售氣派 不是好生意？ 基於網路內容的模擬設計是一種短期答案。設計者希望跳過insight階段，無論如何解決問題。不用說，這是一種冒險的設計途徑。一個已被設計的特定模塊 的技術參數和設計者必須遇到的一樣，這個概率很低。當然，技術參數的相對重要性是不一樣的。網上找到的模塊因此不是最佳的，從對應於所需要的速度、雜訊等 的功耗的方面來說。對非最優的設計滿意的設計者的確能憑藉搜索關鍵詞IP 模塊在網上找到一切。然而，他們決不能提供最好的答案。

此外，從網上挑模塊讓設計者跳過了設計中最重要的任務，那就是建立insight。隨著時間推移請我們不要懷疑insight。沒有insight的產 生，大量時間會被浪費。如果設計步驟正確，短時間內也能得到許多insight。模擬設計變得越來越複雜，而數字設計用來解決簡單的問題。只有更好的 insight才能滿足永遠複雜的模擬答案的設計。更多insight是一種長期的答案，是設計者本身的未來的一種投資。 沒有insight模擬設計是不可能的。通常的電子學並非如此（見圖14）。在網上搜索百科全書不會有大幫助。

圖14 模擬設計比普通電子設計需要和服從更多的insight

Insight讓設計者在無數技術參數中「抓住」正確的妥協。模擬設計需要妥協。人生也是！另一方面，做出妥協很有趣。它給一個人以能力的感覺。模擬設計，和它的妥協，引導出更大的insight。它產生直覺，要變得對下一個設計更有效率，直覺是很必要的。

問題是這樣的：如果我們同意創造一個專家需要10000個小時，那麼我們怎樣改變網路內容從而我們需要小於10000個小時就做到？很清楚，像多數出版紙 製品一樣的含有圖片的文字的疊加，不是正確的格式。同樣很清楚，網路的使用總是斷裂的。我們絕沒有投入足夠長時間的精力去完全消化我們閱讀的東西。在更多 技術方面，網路反饋的是短期或工作記憶而不是對insight有增長作用的長期記憶。使用網路改變我們的大腦。當然正面的改變會超過負面的改變。我只是不 能相信掌握大量數據只會帶來負面效應。

我們怎樣把掌握大量模擬電路轉變為一種優勢呢？我們怎樣減少那10000個小時呢？我看有2個要求。我們首先需要選擇，然後是數據層次。一些同行評審，需 要決定什麼是值得閱讀的。舉個例子，一份像IEEE固體電路大會這樣的綜述是必須的。我們甚至可以走更遠一步，評審者的評論和他們的名字可以同內容一道出 版。這樣，做一個更有效率的選擇將會是有可能的。

第二個要求是層次。技術論文仍像幾世紀以前創作的文本一樣的方式書寫。他們包含連續不斷的文字和圖片。很顯然有另一種方法來傳遞一個模擬電路後面的信息。在最高的層次上，我們需要一些索引； 下面一個層次，需要一個摘要；然後是所有技術參數；然後是一個電路；然後是所有子電路；最後，它是怎麼和為什麼工作的。有了這樣一個層次，在網上瀏覽會更有效率。

為什麼音樂產生更好的模擬設計

早年玩音樂導致更好的左右腦連接。它當然在我的人生中扮演了重要角色。在我7歲的時候音樂出現在我面前，它從沒離開 過。作為一個小孩，我在當地樂隊學會了音樂。我爸爸想學會念字之後，讀音樂是自然的第二步。一年以後，我收到一個禮物單簧管來吹奏。它必須很小因為我才7 歲。這是我如何開始吹奏一個E調單簧管，這我保持到16歲。然後我換去吹B調單簧管，它差不多比E調的長50%重50%，但它能吹出如此甜美的音調所以我 仍然在吹奏它。

當地樂隊不是個草坪樂隊。它包括單簧管手，扮演著交響樂團中小提琴手的角色。它主要表演古典影月，特別是歌劇選段。我加入了那支樂隊因為我爸爸在那裡吹奏長笛，我爺爺也是成員，他演奏bariton——一種更小版本的大號。

我在這個樂隊演奏直到我去上大學為止。在那兒我學會了雙簧管並在大學的交響樂團演奏。我大學的最後一年，我在根特的心理聲學和電子音樂學院（IPEM）上 了一個課。我發現這非常有趣因為我最終形成了一些在電學信號和他們產生的聲音之間的關係的insight。這也從未離開過。

現在我在一個演奏古典室內音樂的三重奏里演奏單簧管。圖15所示的照片攝於2006年，是在一個勃拉姆斯單簧管三重奏排練之後。

圖15 由Raoul Vereecken (鋼琴), Willy Sansen (單簧管), 和 Arthur Spaepen (大提琴)組成的三重奏

為什麼音樂跟模擬設計有很多相似之處是有很多原因的。它需要妥協，而且它很有 趣。你永遠達不到完美。那裡總有提升的空間。你在這方面做得越多，你建立起越多insight和直覺，這能讓你下一次表現更好。 此外，音樂詩在一個更高層次的交流。它反饋給你直覺和思考能力。它能產生和他人分享，事實上是更豐富的感情和感覺。它提升了生活的品質。

一個更好的老師

一個好老師要滿足兩個要求：他是一個專家，而且他富有熱情地展示他的知識。也許 我們都知道這，但不止這些。Gardner寫了一本優秀的關於教育的書籍。 我第一次經歷我叫做「教育的二分法」的事情是我開始去向其他學生解釋樂譜閱讀時。到14歲時，我懂得足夠的音樂知識因此我和其他五個同學一起參與教音樂， 學生是在比利時波珀靈厄我的學校成立的一個新樂隊。那是一種奇怪的感覺。 首先，你對學生似乎並不懂對你來說很顯然的東西而煩惱。你感覺被迫地去展示你的確知道。這是那麼容易允許你自己炫耀！另一方面，你為似乎不懂如此基本的信 息的人為遺憾。你從哪裡開始去幫助他呢？我逐漸明白幫學生學會你知道的1%，下一次學會另外1%是足夠的。在一個課堂上一個學生馬上明白被教的至少1%真 的很重要。沒有掌握一些東西他不能離開教室。在所有方面至少一樣必須被解釋得非常詳細。我從沒忘記這點。它讓我成為一個更好的老師。

我第二次學習教育是我17歲上中學時。同學們被鼓勵坐在我教室里的座位旁邊來討 論數學和物理問題的答案。讓我吃驚的是，居然有這麼多人來，雖然我並不知道所有答案。從這裡我學習了discere docendi，意思是「以教為學」。如果你被迫去解釋一些你不知道的東西，然後那個問題中會出現一個裂縫，光就照進來了。 我第三次學習教育是在比利時魯汶大學固體物理實驗室。

這個實驗室和Roger Van Overstraeten教授的固體物理課程有關，他幾年以前開始教這個課。我需要向同學們講解如何製作一個檯面二極體和如何預測它的性能。準備好了是指 你懂得關於它的所有事。然而，在這個時候我不確定我能否把我的insight富有熱情地表達出來。 我第四次介入教育是在加州伯克利大學作為Bob Meyer 和 Paul Gray研究和教學助理。這裡學生的背景比在魯汶的學生更多樣化。有時需要一番努力才能讓他們對事情明了。從這兒我學會了很多。

從那時起我已經做了很多教學工作，而且我仍在教模擬設計。我仍然想要知道關於它的一切，我努力去富有知識和熱情地展示材料。我由衷地努力壓制炫耀的趨勢， 但我要確保每個聽課的人至少聽懂我教的1%。每次我解釋一些我不懂的東西，更多的光會照進來。那道光是教學的美麗之處，特別是無限複雜的話題比如模擬設計。

現在我用我的幻燈片課本來教學。這些幻燈片我也用來展示關於它的一切。每張幻燈片只展示insight的一個三角洲。這樣，同學們跟隨上進度是沒問題的。 之後他可以再閱讀我說的東西。我把它叫做模擬設計要領。這些幻燈片包括一個只讀型光碟，所以其他老師也可以用它。不少人用。 沒有內容或沒有熱情都沒有教學。內容與工業合作才能都發展。企業指導在市場中什麼能成功。他們知道接下來什麼該被發展（或研究）。這是我為什麼為GTE公 司的一個專用自動電話交換機（PABX）系統而參與到4個10-μm PMOS設計中去，這時1973年我才剛在比利時立足，就在我在伯克利拿到博士學位之後。

我從來沒有放棄努力和工業界共事。我職業生涯一答部分花在收購工業界的項目上。然而，這一點兒也不容易。「為了著手做不必去希望，為了堅持不必去成功。」是我的座右銘，由15世 紀知名前輩比如Charles the Bold 和 William of Orange闡述的如此好。

在我的教學中大多數技術內容是從我大學團隊的博士論文中得出的。把博士論文的內容轉變成可以用於教學的一打PPT幻燈片是一項很有益的鍛煉。說實話，有時 候我這樣做之後我才完全明白一篇論文講的所有東西。

大多數我的教學已經在比利時魯汶大學實施。我最後一次上課時在2008年五月（見圖16）。

圖16 2008年作者最後一次在魯汶上課

同時，我已經在洛桑為MEAD教育做講座。因為很多著名的演講者在洛桑露面，我很開心和他們在一起（見圖17）。它是極少數幾個向所有演講者分發來自與會者評論的機構之一。這個反饋幫助我很多。

圖17 洛桑的演講者：（左至右）G. Temes, W. Sansen, H. Casier, E. Vittoz, 和 B. Gilbert.

當然，當我在學術休假時我總是教模擬設計課。我上一次在美國休假是1984年在費城度過，Jan Van der Spiegel 和 Ken Laker（見圖18）組織了一次旅行。這次停留導致了一本完完整整的教科書，可惜已絕版。

圖18 （左至右）W. Sansen, J. Van der Spiegel, 和 K. Laker 在費城

教學老師更多回報，因為他們要把信息傳遞出去。我最近多數教老師的課程去年由IMEC組織。這些老師都來自中國不同的大學（見圖19）。他們的熱情和約會真是勢不可擋。

圖19 2009年在中國教學

比利時魯汶大學我們ESAT-MICAS組織和來自全世界的企業共事，包括歐洲、美國、日本和很多其他地區。現在我已經開始教相同的企業——一種理想的交 流。我們也支持了許多我們ESAT-MICAS組織的分支。第一個是Silvar-Lisco；後來是Ansem 和 ICSense；最近是zenso，以後會有更多。這樣，就形成了一個閉環。

給學生的建議

因為我已經成為一個老師這麼長時間了，所以我有一些給學生的建議：

1）成為一個專家。一生中必須至少有一個小東西你懂得關於它的一切。它以後可以被擴展，但滋養那個「世界第一」的東西。不要畏懼深度！定期地閱讀和諮詢一個IEEE期刊，並定期更新你特別懂的領域的知識。

2）作為一個專家被人熟知。別人知道你是一個小領域的專家很重要。在一次會議或研討會上讓他們指導，或者在當地的研討會上展示你的知識。

3）在國際性層次上玩；做一個國際性交流者。不要忘了世界正越來越全球化。被全世界熟知。

4）做展示。分享知識和經驗和交流一樣重要。為了所有人的利益在技術上發揮作用。

5）成為IEEE會員。這會促成以上所有建議。

結論和致謝

我熱愛模擬設計因為它和妥協打交道，就像人生本身。它推動你去做你的做好。我已 經努力解說某個其他活動怎樣能引導你做更好的模擬設計。一個人第一次接觸的技術玩意兒當然起一定作用，但一個人在人文和任何其他塑造你人生的事方面的經歷也有作用。

最後，和同事、朋友們的聯繫能照亮模擬設計（人生）中的答案。這就是為什麼我想要尊敬那些優於我和幫我選擇正確的路的人。他們包括Roger Van Overstraeten，他是我在魯汶的碩士生論文建議者，在我讀完伯克利的博士後說服我回到魯汶。我從Bob Meyer那裡學習了失真和雜訊，他是我在伯克利的博士論文建議者。我還想提一下Hugo Deman，他總是領先幾步。他在60年代後期與我同在魯汶大學電子工程系的同一個辦公室里做研究助理。70年代早期他與我同在伯克利，他和我一樣久在魯汶工作。

我和我的博士分享了我在模擬設計方面的大多數冒險。我把他們全部列在側邊欄了，我感謝他們為大學裡所有的美麗和有益的共度時光。我也從和大學裡ESAT- MICAS部門的同事的交流中得到了很多快樂。在那裡第一批加入我的是Bob Puers 和 Michiel Steyaert；然後是Georges Gielen, Wim Dehaene；最近是Patrick Reynaert。我相信他們都是戴著更好的模擬設計者的光環而來，並且他們想要保持這樣。我希望我沒有阻礙他們設定他們自己的未來並且在大學裡他們享受 像我一樣很大的自由。他們都在圖20所示的照片里，和他們的夫人一起；

這張照片拍攝於我們年度員工大會之後。

圖20 ESAT-MICAS職員和他們的妻子

今天是《半導體行業觀察》為您分享的第1397期內容，歡迎關注。

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