无电路不人生微电子集成电路大牛Wi

作者简介：WillySansen教授于年从加州大学伯克利分校获得博士学位；从年起在比利时天主教鲁汶大学担任全职教授。从年到年，WillySansen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，发表过篇文章，出版了6本专著。他是IEEESolid-StateCircuitsScoiety的前主席，并担任过年国际固态电路会议的程序委员会主席。年，WillySansen教授由于在固态电路领域做的突出贡献被IEEESolid-StateCircuitsScoiety授予DonaldO.Pederson奖。DonaldO.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教授分别于年在斯坦福大学，年在洛桑联邦理工学院，年在美国费城宾夕法尼亚大学，年在T.H.Ulm，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。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《WillySansen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。电子管的旁边是一个AmrohMu-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重命名为2*10-W超线性高保真放大器，它可以用MBLE的M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“menssanaincorporesano”，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amenssanaincorporesano。这里要解释一下：年我作为OsakaJaycees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EdithVolckaert，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，年在加州伯克利大学BobMeyer的指导下完成的。（参考BobMeyer对Willy的研究的一个综述《WillySansen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！WimDehaene和我第一个完成比赛（见图4）。

图4和WimDehaene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。这个系统源于医院的Pellenberg学院的整形医生J.Mulier和M.Hoogmartens的一次合作。它在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BIO1。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,;VanPaemel,)。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,;Jacobs)。

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。我们从年春天开始做这个。年8月设计的采用3-μmCMOS工艺的MPC4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8MPC4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。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。我在至年间，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AndréErmans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。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.VanOverstraeten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.daFranca,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HanHuijsing提出了模拟设计的真实研讨会的想法。RudyvandePlassche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千米以内能找到个设计者的地方。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MichielSteyaert组织，于年四月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年AACD创始会员：（左至右）RudyVandePlassche,WillySansen,andHanHuijsing

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ESSCIRC主席DorisSchmitt-Landsiedel教授、SSCS执行理事AnneO’Neill在慕尼黑的合影。

图12WillySansen,AnneO’Neill,和DorisSchmitt-Landsiedel在慕尼黑的ESSCIRC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IEEEXplore的ESSCIRC，甚至年的第一次，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。这是在年。这一年以前，在年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







































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