數字電路和線性（模擬）電路可能是電子電路中最明顯的分界線。從真空管到晶體管，再到集成電路，基于開關（二進制和數字信號）和放大（模擬信號）的電路一直是電子系統(tǒng)的核心。盡管電子技術使我們的世界變得更加數字化，但現實世界仍然頑固地保留著模擬信號。用于連接傳感器和驅動執(zhí)行器、放大（微弱）模擬信號、通過模擬信號處理操縱這些信號，以及最終將其轉換為數字域和反之亦然的電路，過去、現在和將來都是電路設計的基礎研究和開發(fā)領域。

由于該領域范圍廣泛，從射頻電路、電源管理、基準生成、濾波器設計、振蕩器到比較器和其他非線性電路，不一而足，一篇簡短的評論文章顯然不可能提及所有主題，更不用說涵蓋所有主題了。因此，我們做出了選擇。本文從放大器開始，因為放大器是決定系統(tǒng)性能的關鍵模擬構件之一。

我們簡要回顧了基于集成電路的放大器的早期發(fā)展，以及放大器設計中一些杰出的電路創(chuàng)新。隨后，我們重點介紹 ADC 的歷史和技術現狀、其架構以及四十年來的效率改進。最后，我們回顧了傳感器接口，首先重點介紹了傳感器接口的歷史和各種傳感器模式的技術現狀，其次重點介紹了神經放大器背景下用于生物電位記錄的生物醫(yī)學接口電路。

通過這些不同的主題，我們傾向于強調晶體管和模擬集成電路對當今世界的重要性。

放大器

放大器是所有模擬電路的基石，因為它們用于信號調節(jié)和處理、低噪聲應用、ADC 等。雖然第一個基于集成電路的運算放大器（OA）--Widlar 的 μA702 已經有兩級，但無處不在的 μA741 卻成為早期基于 PCB 設計的主力。它有兩個級，一個差分輸入級和一個 AB 類輸出級。如圖 1 所示，其 CMOS 等效器件仍在使用，但通常用 CMOS 反相器取代信號路徑中的單晶體管。

放大器是全差分的，因此需要一個共模回饋電路。米勒補償電容器 (CM：Miller  compensation capacitor) 設定放大器的 GBW 乘積，并確保相位裕度。斬波用于減輕偏移和 1/f 噪聲。然而，這種經典設計的功率效率很低。因此，在過去幾十年中，為了降低達到給定速度所需的功率，人們提出了許多其他設計，如前饋、多級、正反饋和動態(tài)架構。

使用單級繞過雙級放大器稱為前饋，而使用雙級放大器繞過單級放大器稱為增益增強。不過，這兩個術語描述的電路基本相同！前饋引入了一個左平面零點（left-plane zero），通過抵消一個非顯性極點來確保穩(wěn)定性 。與米勒補償相比，前饋放大器的效率可輕松提高兩到三倍。

使用負阻抗或正反饋可以實現更高的效率。負電容用于擴展射頻放大器的帶寬由來已久，而負電阻則被用于 OA。如圖 2 所示，將負電阻（M3 , M4）連接到輸入對（M1, M2）的源極，可在功耗相同的情況下增加跨導和 GBW 。負電阻也可以連接到對稱或負載補償放大器輸入級的負載上 [5]。它們還可用于抵消偏移和增益不足，因此是高性能放大器的推薦構件。

多級放大器還能大大降低功率。在三級放大器中，第二級用于創(chuàng)建零點，對非主極點進行補償。圖 3 中的三級放大器[7]實現了二階極點-零點補償：跨導值 gmt 通常是 gm2 的兩到三倍。因此，在降低第二級功耗的同時，仍可獲得比傳統(tǒng)嵌套式米勒三級放大器大約 40 倍的 GBW，從而實現放大器 FOM . 四級放大器中間級更復雜的有源濾波器可產生更驚人的 FOM = 96,000 MHz $ pF/mA 。

在采樣數據系統(tǒng)中，使用動態(tài)放大器具有優(yōu)勢，因為它們只允許使用所需的帶寬，從而在給定噪聲要求下最大限度地降低功耗。如圖 4 所示，通常使用相同的電路配置，也在所有偏置分支中使用開關。另一種類型是浮動逆變器動態(tài)放大器，在這種放大器中，切換的是疊加電壓而不是放大器。這樣就能以有限的功耗提供適當的偏置。

通過使用更高效（如 AB 類）的放大器拓撲結構，還能進一步節(jié)省大量功耗。此外，C 類和環(huán)形振蕩器放大器也能提供更好的功耗節(jié)省。尤其是 D 類放大器，其輸出設備在高頻率下切換，可以在極低的失真水平下提供接近 100% 的功率效率，通常用于音頻應用中。圖片

數據轉換器

放大器的這些創(chuàng)新模糊了數字和模擬電路實施之間的界限，這就引出了本簡要評論的第二個主題，即模擬數字接口，即數據轉換器。數據轉換器是模擬信號鏈中的最后一個或第一個環(huán)節(jié)，具體取決于信號流程。 盡管 DAC 在電子系統(tǒng)中也發(fā)揮著重要作用，但由于 ADC 種類更多，知名度更高，而且?guī)缀跛?ADC 也都采用了內部 DAC，因此我們僅對 ADC 進行簡要的歷史回顧。由此，我們可以窺見自集成 ADC 首次出現以來 40 多年的結構創(chuàng)新和性能演變。Walt Kester 撰寫了一本非常完整的手冊，其中包括對數據轉換器的大量歷史概述，感興趣的讀者可參閱。

早在集成電路出現之前，人們就對量化和 ADC 的基本原理進行了探索、研究、申請專利和出版著作。其中最著名的作品有 Howard 提出的跟蹤 ADC 、Inose 提出的三角積分調制器 (DSM) ，以及 Kaiser 的 SAR ADC 。

然而，在第一批集成電路出現一、二十年前，就有人提出了閃存、子量程、流水線、計數、斜率、電壓-頻率轉換和其他 ADC 架構。這些早期的實現都基于真空管（例如，1954 年重新租用的第一個商用 SAR ADC），而在集成電路發(fā)明之后，這些實現都基于分立晶體管。但直到 20 世紀 70 年代初，才出現了基于集成電路構件的混合式和模塊化 ADC，以及完全集成的數據轉換器。

其中有兩個值得注意：1978 年，Paul Brokaw 設計了第一款完整的單片 SAR ADC，包括基準生成，以 40 MS/s 的速度達到 10 b；1977 年，van der Plassche 設計了一階 DSM，以 200 kHz 的時鐘頻率達到 6 b，包括自動歸零，這兩款產品都采用了bipolar技術。

20 世紀 80 年代是許多應用高速發(fā)展的時代，1988 年出現了第一個商用單片 16-b DSM。數據表上開始出現更詳細的規(guī)格，如 SNR、SNDR、ENOB、SFDR、孔徑抖動等。雖然集成電路技術的改進以及電路和系統(tǒng)研究主要決定了技術的進步，但新的獨特原理仍在不斷被發(fā)現。例如，時間間隔 ADC 的概念于 1980 年提出，而增量、MASH 和帶通 DSM 則是在 20 世紀 80 年代末發(fā)表的。將不同的 ADC 原理組合成創(chuàng)新的混合形式至今仍在推動創(chuàng)新，例如在流水線 ADC 或 DSM 中使用 SAR 或使用基于 VCO 的量化器并將其納入 DSM 。此外，使用 DSP 來糾正模擬電路的非理想性現在已無處不在。

隨著時間的推移，已有數以千計的 ADC 設計問世，因此對其性能進行綜合分析已成為一個備受關注的課題。模數轉換器可能是所有電路構件中最完善的，其 FOM 是最重要的。最常用的兩種方法是 1994 年提出的 Walden FOMW ，以及 Richard Schreier 于 2005 年描述的 Schreier FOMS ，但這其實早在 1997 年就已提出。如今，Boris Murmann 的性能調查涵蓋了自 1998 年以來所有 IEEE 國際固態(tài)電路會議 (ISSCC) 和 IEEE 超大規(guī)模集成電路技術和電路研討會的結果，幾乎被所有數據轉換器出版物普遍引用。圖 5 顯示了過去 40 年中報告的最佳 FOMW。

令人驚嘆的是，由于技術升級和電路創(chuàng)新，40 年來報告的最佳 ADC 效率幾乎提高了六個數量級。然而，最佳報告的 FOMW 似乎已經飽和，我們也可以預見，創(chuàng)紀錄的 FOMS 也將很快跟進。仔細觀察數據可以發(fā)現，最佳 FOMS 是在有限的幾類架構中獲得的：中等分辨率/速度 SAR 獲得了最佳 FOMW，而高分辨率低帶寬噪聲整形 SAR 和混合 SAR + DSM ADC 獲得了最佳 FOMS。這強調了一個事實，即單一數字并不能說明全部問題，因此應在相同應用的 ADC 之間進行 FOM 比較。

此外，在報告 FOMS 時，校準引擎、抽取濾波器以及輸入和參考緩沖器所消耗的功率往往被忽略。幸運的是，數據轉換器界對此有很好的理解，因此人們越來越關注轉換器的易驅動性、隱式濾波、更好的免校準線性度等，而不僅僅是創(chuàng)下新的 FOM 記錄。

在過去十年中，可以觀察到 ADC 的幾大發(fā)展趨勢。

首先，SAR ADC（主要由其在按比例 CMOS 中的卓越效率驅動）已變得無處不在，從最高能效到最快速度的時間交錯 ADC 都能找到它的身影；噪聲和失配誤差整形的使用模糊了與 DSM 的區(qū)別，在最新技術水平中，它們通常被用作 DSM 循環(huán)的量化器。

其次，可以找到帶寬驚人的 DSM，尤其是基于 CT 環(huán)路濾波器的 DSM，它們具有固有濾波功能，更易于驅動，帶寬達數百兆赫茲，線性度甚至超過 100 dB。隨著帶寬的擴大和孔徑不確定性的顯著改善，奈奎斯特 ADC 的帶寬已達數百兆赫茲，分辨率超過 10 b。

最后，基于時間的量化技術得益于技術的擴展，目前已成為低（或中）分辨率 ADC 或作為高分辨率 ADC 一部分的最節(jié)省面積的解決方案。

智能傳感器接口

過去幾十年來，直接與傳感器和感應器連接的 ADC 越來越受到關注。由此，我們進入了智能傳感器接口領域。如今，傳感器遍布我們的家庭、汽車和手機。這些傳感器大多是 "智能 "的，因為它們與放大、線性化和將微弱的模擬輸出轉換為穩(wěn)定的數字數據所需的所有接口電路集成在一起。通過巧妙地利用硅的特性，智能傳感器可以測量各種物理現象，如光、力、熱和磁場等。

晶體管和集成電路的發(fā)明促進了對半導體特性的廣泛研究。人們很快發(fā)現，半導體不僅可以用來制造電路，還可以用來制造傳感器。20 世紀 60 年代，壓力、應力、溫度和磁場傳感器在 ISSCC 上發(fā)表了報告。隨后是圖像傳感器，從 CCD 開始，隨后是 CMOS 圖像傳感器，CMOS 因其較低的制造成本而成為主流技術。人們還發(fā)現，BJT 的明確特性可用于實現精確的電壓基準和溫度傳感器。另一項重大發(fā)展是利用微加工技術制造微機電系統(tǒng) 。這迅速實現了帶有移動部件的傳感器，如壓力傳感器、加速度計和陀螺儀。

早期的硅傳感器通常輸出較小的模擬信號，然后由外部電子設備進行放大、處理和數字化。但到了 20 世紀 70 年代，單片放大器的出現意味著放大和濾波可以在芯片上完成。最初，微調 BJT 放大器用于實現低偏移和 1/f 噪聲。很快，動態(tài)誤差減少技術（如斬波和自動歸零）的使用使 CMOS 放大器也能實現類似的性能。此外，通過使用 DEM，增益（或比率）誤差可降低到 ppm 級。這些技術的各種組合，如自動歸零和斬波、嵌套斬波(nested  chopping)以及 DEM 和斬波]，使得放大器具有納伏級偏移和 ppm 級增益誤差/線性度。

智能傳感器發(fā)展的下一步是開發(fā)與外界連接的強大接口。20 世紀 80 年代，傳感器通常采用頻率和占空比調制器。通過對兩電平信號轉換時序中的模擬信息進行編碼，此類調制器可以輸出與微處理器兼容的信號，而不會限制傳感器的分辨率。然而，隨后轉換為高分辨率數字數據需要一個低抖動的高頻參考時鐘。此外，由于沒有標準化，因此每個傳感器都需要自己特定的信號鏈。

隨著單片 ADC，特別是 DSM 的發(fā)展，這一切都發(fā)生了改變。后者能夠以速度換分辨率，這意味著傳感器相對較慢的輸出可以在芯片上進行數字化，而不會限制其分辨率。反過來，芯片數字化又使智能傳感器能夠通過標準數字總線和協議與外界通信。這使它們更易于使用，并使它們能夠作為具有明確規(guī)格的獨立構件在市場上銷售。此外，它還使大部分所需的片上信號處理（濾波、微調和線性化）能夠在數字域中靈活、精確地完成。

為了降低成本，人們致力于開發(fā)與 CMOS 兼容的傳感器，這些傳感器可以與其接口電子器件集成在同一芯片上。然而，除了一些例外情況（熱傳感器和磁場傳感器），這種方法對傳感器的性能造成了太多限制。如今，大多數智能傳感器都采用雙芯片方法，即在一個芯片（或基板）上采用優(yōu)化的制造工藝實現傳感器，而在另一個芯片上實現 CMOS 接口。這種方法還有利于在單個封裝中集成多個傳感器（見圖 6）。

在傳感器和電路創(chuàng)新的推動下，智能傳感器自 20 世紀 80 年代以來取得了長足的進步。基于 BJT 的溫度傳感器就是一個很好的例子。圖 7 利用 Kofi Makinwa 在線調查中的數據繪制了其精度和能效的演變過程。雖然它們的精度現在似乎已經趨于穩(wěn)定，反映了工藝擴散和校準成本所帶來的限制，但它們的能效卻提高了近四個數量級，反映了接口電子器件的改進。其他類型的智能傳感器也有類似的發(fā)展趨勢。

過去二十年來，智能傳感器的發(fā)展主要受移動設備和汽車應用需求的驅動。然而，當前物聯網的發(fā)展趨勢推動了自主智能傳感器的發(fā)展，即可以利用環(huán)境能源供電、因此不需要電池的能量收集傳感器。傳感器融合是另一個主要趨勢，這種設計將多個傳感器和本地智能相結合，以實現更好的性能。圖片圖片

生物醫(yī)學傳感器接口

前面討論的傳感器接口的共同點是與傳感器結合在一起，而生物醫(yī)學傳感器接口則與生物信號源相連。由于晶體管和集成電路的發(fā)明以及技術的擴展，電子技術得以應用于過去從未見過的領域，因此本綜述的最后一部分將介紹生物醫(yī)學傳感器接口。電生理學研究生物細胞和組織的電特性，對了解人體功能起著至關重要的作用。它不僅涉及電壓變化、電流和生物阻抗的測量，還涉及在不同尺度上對生物組織的操作。電生理學的起源可以追溯到路易吉-加爾瓦尼（Luigi Galvani）的開創(chuàng)性研究，他在 1791 年發(fā)現，施加電流可以激活死蛙的肌肉。這激發(fā)了人們對 "生物電 "概念的研究，并最終開發(fā)出記錄組織甚至單個細胞的微小電流和電位的儀器。

晶體管和集成電路發(fā)明后，新興的模擬電路設計技術被用于開發(fā)更先進、微型化和可植入的生物醫(yī)學接口。1958 年，阿克-森寧（Ake Senning）發(fā)明了第一個植入式心臟起搏器，這是一項極具影響力的早期成果。20 世紀 70 年代，集成電路傳感放大器、數字邏輯和無創(chuàng)電子控制的引入極大地改進了這一技術。同一年代，Kensall Wise 報道了使用植入式微電極記錄大腦生物電位的開創(chuàng)性工作。這些發(fā)展為現代硅神經探針奠定了基礎。

如今，現代電生理學技術可以精確測量來自心臟、大腦、神經和肌肉的生物電位。特別是，可穿戴式心臟監(jiān)測儀已越來越受歡迎，尤其是用于對心血管疾病患者的長期監(jiān)測。集成電路和技術擴展使各種生物醫(yī)學設備成為可能，包括感官假體植入（如耳蝸和視網膜植入）、運動假體（如控制機械臂）、腦起搏器（即腦深部刺激器）、葡萄糖傳感和胰島素輸送等。

這些生物醫(yī)學應用中有許多需要專門的讀出電子設備來獲取高信號質量的生物電位。如圖 8 所示，低噪聲、高輸入阻抗、高共模抑制比和大差分輸入范圍以避免運動偽影造成的飽和[38]，對于可靠和準確的可穿戴讀出系統(tǒng)至關重要。此外，要實現合理的電池壽命，還需要非常低的功耗。通常，全差分高輸入阻抗儀表放大器（IA）用于放大生物電位信號。由于儀器放大器的特性決定了讀出鏈的整體性能，因此人們提出了許多電路技術來滿足上述要求，即使在電極極化電壓產生較大直流偏移和低頻漂移的情況下也能實現。為了減少共模干擾，通常會使用第三個電極，通過一個稱為 "right-leg drive "的主動反饋回路將身體偏置為直流電壓。

使用植入式探針進行神經記錄已成為測量單細胞水平神經電活動的流行方法 。硅探針具有精確的柄形、精確的制造工藝、自動化能力以及與 CMOS 電路集成等優(yōu)勢。圖 9 展示了一個完全集成的 CMOS 探頭。神經記錄電路必須應對多項挑戰(zhàn)，包括神經信號幅度小、信號頻率低、電極偏移、電極阻抗高以及需要高密度神經接口。目前常用的神經讀出架構有兩種：一種是傳統(tǒng)架構，包括一個增量耦合放大器和一個模數轉換器；另一種是直接數字化方法，在模數轉換器環(huán)路中合并了一個輸入跨導級。

在 首次提出的傳統(tǒng)架構中，交流耦合可有效阻止電極偏移，而高阻抗偽電阻則用于設置 IA 輸入節(jié)點的直流偏置。交流耦合電容器必須足夠大，以提供足夠的增益，但也不能太大，以免交流輸入阻抗過度惡化。IA 中可以使用不同的放大器架構，其中折疊級聯和基于逆變器的 OTA 最受歡迎。需要優(yōu)化多路復用比，以解決 ADC 及其前置驅動器所需的功率和面積之間的權衡問題 。SAR ADC 在中等分辨率和低頻范圍內具有良好的功耗效率，因此常用。由于傳統(tǒng)的聲耦合讀出器的可擴展性有限、輸入動態(tài)范圍有限，而且對工藝變化的敏感性也不理想，因此最近人們開始探索直接數字讀出器架構作為一種解決方案。為此，超采樣 ADC 可用于開發(fā)雙向神經接口的純記錄或偽影耐受架構。目前已提出了基于三角Σ調制、三角調制以及兩者結合的不同讀出方式；這些讀出方式可以非常緊湊且可擴展。

總體而言，可穿戴和植入式生物電子學領域在不斷發(fā)展和完善，新的傳感器技術和電路技術不斷開發(fā)，以提供更準確、更舒適的監(jiān)測。在神經科學領域，硅神經探針越來越密集，如圖 10 所示，可以同時記錄越來越多的神經元。然而，設計具有更強并行記錄能力的神經接口卻面臨著新的挑戰(zhàn)：數據瓶頸。為了應對這一挑戰(zhàn)，目前的研究重點是實現片上數據分析。這為模擬和混合信號前端設計人員帶來了激動人心的設計挑戰(zhàn)和機遇。

結論

模擬電路是現實世界與電子世界的接口。75 年前晶體管的發(fā)明為我們提供了一個可以開關和放大的微型堅固器件。模擬電路以多種多樣、不斷變化的方式使用晶體管的這兩種功能。晶體管和集成電路的發(fā)明以及隨之而來的技術升級對我們世界的改變超過了人類歷史上的大多數發(fā)明。技術規(guī)模的擴大為我們帶來了晶體管工作速度和集成密度方面的巨大進步，但同時也加劇了晶體管的非理想性，導致了結構和電路的創(chuàng)新，以及廣泛的數字輔助模擬電路設計。從放大器的電路創(chuàng)新到數據轉換器的結構創(chuàng)新，再到傳感器接口領域的系統(tǒng)創(chuàng)新，這篇綜述讓我們了解了模擬電路的一小部分貢獻。只要我們還生活在模擬世界中，未來還會有更多的貢獻和創(chuàng)新。