非常宏觀的角度來看，晶片可以分成數字晶片和模擬晶片兩個大類。我之前寫過的幾乎所有和晶片相關的內容都是和數字晶片相關的，比如FPGA、CPU、GPU等等。這篇文章我們換換口味，來一起看一下和模擬晶片相關的一些有意思的內容。

模擬訊號 vs 數字訊號

模擬晶片和數字晶片的最主要的區別，就在於處理的訊號不同。顧名思義，模擬晶片處理的是模擬訊號，而數字晶片處理的是數字訊號。這兩種訊號型別有著非常明顯的區別，但也有著非常緊密的聯絡。

如果從歷史的程序來看，人類瞭解並且使用模擬訊號的時間，肯定長於數字訊號。我們身處的環境裡就充滿了模擬訊號，比如我們人體的各種視覺聽覺觸覺等等的感知，還有外界環境的各種溫度、溼度、電磁波等等。事實上我們在很多領域也在使用模擬訊號，比如很多年前我們用的磁帶和磁碟，還有現在很多顯示器上還有的VGA介面，其實都是使用的模擬訊號。

模擬訊號最主要的特點，就是它是連續變化的。也就是說，它的強度在一定的時間範圍內可以有無限多個不同的取值。

相比之下，數字訊號的變化是不連續的，或者說是離散的。比如在計算機裡我們就使用0和1兩個數，任何的邏輯功能和計算都可以透過0和1這兩個數的排列組合實現。和前面說的磁碟、磁帶還有VGA介面相比，現在我們用的flash快閃記憶體，還有這個HDMI介面等等，使用和處理的都是數字訊號。

數字訊號最大的好處就是能夠非常方便的進行儲存、傳輸和處理。因為它只需要處理0和1兩個數字，所以理論上你把它複製成千上萬份，它每一份的內容都是相同的。而且如果把它傳輸很遠的距離，只要它這個0和1的排列方式不變，它所代表的內容就是不變的。所以數字訊號的這些特性，也是構建我們現代人類文明的基石。

但是這並不是說我們就不需要模擬訊號了，就像前面說過的，我們的各種感官接收的都是模擬訊號，我們所在的環境裡自然存在的各種聲光電也是模擬訊號，這些都需要模擬晶片來進行處理。所以我們不管是在手機，還是在汽車或者醫療裝置裡，都能看到非常多的模擬晶片。

模擬訊號的“殺手”：電磁干擾

和數字訊號相比，模擬訊號的一個最大的問題就是容易受到干擾。如果我們把手機放在音箱旁邊，很有可能就會聽到嗶嗶的聲音，這個就是手機訊號對播放器產生的干擾。從技術的角度看，這種干擾其實是電磁干擾，英文是Electromagnetic Interference，簡稱是EMI。簡單來說，它的本質就是和電磁感應有關。

值得注意的是，電磁感應在很多情況下是好事，可以說我們的日常生活中都充滿了電磁感應的應用，比如手機和各種無線通訊裝置裡的天線，就是將接收到的電磁波轉換成電訊號，或者把電訊號轉換成電磁波發射出去。

但是在我們的實際電路中，在各種電路元件之間、以及導線上都會不斷髮生各種電流電壓的變化，這樣其實也會由於電磁感應不斷產生各種電磁波，而這種電磁波對於我們的那些正常的電路功能來說是有害的，這也就是前面說的電磁干擾。

電磁干擾很可能會對關鍵的電路功能造成負面的影響。比如在醫療電子裡我們肯定不希望在做手術的時候，那些測量生命體徵的感測器和電路受到電磁干擾而輸出錯誤的心跳呼吸血壓等等這些資料。或者在我們開車的時候，我們也肯定不希望汽車裡的那些電子系統——包括控制發動機的、控制剎車轉向的，還有控制各種雷達導航的電子系統受到電磁干擾而亂搞。所以通常在汽車和工業應用裡，都有和電磁干擾EMI相關的行業標準。

電源管理晶片中的低EMI設計

我們再舉個例子，對於模擬晶片來說，它的一個非常重要的應用領域就是電源管理。比如對於模擬晶片的巨頭公司德州儀器來說，在它的整個產品組合裡，電源管理晶片是非常重要的一部分。電源管理晶片有很多種，比如直流/直流轉換，也就是DC/DC開關穩壓器，包括各種升壓降壓反相，還有交流和直流的轉換，當然還有很多其他的和電源相關的器件和晶片。毫不誇張的說，只要有電子裝置存在的地方，就需要有電源管理晶片。

而且在一個完整的電子系統裡，比如前面提到的汽車裡，可能有很多不同的功能模組，它們使用的電壓和功耗都不一定相同，所以在系統裡還很可能存在許多個電源管理晶片。特別是現在ADAS技術的不斷髮展，在汽車裡集成了越來越多的感測器、攝像頭、計算機之類的電子系統，所以對於電源管理的需求也在不斷增加。

但是，電源系統裡的這些電壓電流的轉換，就會產生大量的電磁輻射，然後會反過來極大的影響和干擾電路其他部分的功能和可靠性。這就把我們推上了一個兩難的困境，比如對於一個醫療裝置或者自動駕駛汽車來說，我們一方面需要在有限的空間裡塞進去更多的電子器件和系統，來完成更多的功能；另一方面，加進去的電子器件越多，驅動這些電路的的電源系統會產生更多的電磁輻射和干擾。

所以，在汽車和工業應用設計的電源系統裡，通常都有著比較嚴格的關於電磁輻射的行業標準，來保證系統能夠正常執行。比如國際無線電干擾特別委員會的CISPR 25 Class 5標準，就對汽車環境下的低EMI設計提出了嚴苛的行業要求。為了滿足這些行業標準，模擬晶片工程師就需要不斷去探索和研發降低電磁輻射的方法，從而最大限度的減少開關電源對其他系統元件的干擾。

再拿TI德州儀器來舉例，他們在最新發布的兩個DC/DC控制器LM25149和LM25149-Q1裡，就主要採用了兩個方法來降低電源晶片產生的電磁干擾。一個就是採用了有源濾波器，另外一個就是雙隨機展頻、也就是DRSS技術。

DRSS這個技術，結合了低頻三角調製以及高頻偽隨機調製這兩種調製方式，優化了低頻和高頻中EMI的效能。這部分內容比較抽象，在這篇文章裡就不展開了。我們主要來看看這個有源濾波器。它的原理其實比較直觀，就是引入了一個有源濾波電路，它可以感應輸入總線上的電壓，並且產生相反的電流，來和電源開關產生的EMI電流相抵消，這樣就實現了對電磁輻射的濾波作用。

這個原理其實就類似於我們很多人都在用的主動降噪耳機。在降噪耳機裡有一個感測器可以採集和分析周圍環境裡的那些噪聲，然後在耳機裡產生相反的聲波，這樣就可以和噪聲的聲波相互抵消掉，從而達到降噪的目的。

事實上，這種濾波方式也可以使用無源濾波器來實現，這個也是傳統的低EMI設計通常採用的方法。但是無源濾波器非常大，甚至會佔整個電源方案總體積的30%。所以在晶片內部整合有源濾波器之後，不但能夠對電磁輻射起到很好的消減作用，還能極大的減少器件的尺寸，這樣就實現了EMI和麵積的雙重最佳化，進而降低成本，節省寶貴的電路空間。

根據TI的資料，在440 kHz頻率下，採用這種方案最多可以將前端EMI濾波器的面積和體積分別縮減近50%和75%以上，並且將EMI減少高達50dBuV。和採用典型無源濾波器的設計相比，整合式有源EMI濾波器的設計可以幫助將EMI減少20dBuV。此外，前面介紹的DRSS技術還能幫助在低頻和高頻頻帶上將EMI進一步降低5dBuV。

結語

事實上，這篇文章裡的內容只是關於模擬晶片非常小的一部分。不過就算是管中窺豹，模擬IC的博大精深應該也可見一斑。

網上有很多人在討論模擬工程師和數字工程師哪個更高階、或者技術含量更高，也有很多學生朋友在糾結未來到底應該走哪條路，我也收到過很多類似的問題。我個人覺得數字模擬一直都是相輔相成、缺一不可的。比如雖然我主要做數位電路相關的工作，但是也會在工作中接觸到很多和模擬相關的內容，就像是文章裡介紹的電源和電磁干擾等等。

知乎裡有一個問題，就是問數字類比電路晶片的區別，我想借用這裡最高讚的回答，也是我的好兄弟Tyson說的一句話，不管是走那條路都需要平時不斷的積累和學習，我也會和大家一起努力加油成長。