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设计软件是怎样改变世界的

2011年06月29日10:46:02 本网站 我要评论(2)字号:T | T | T
关键字:应用 半导体 数字 计算机 

刚开始的时候(大约在二战时),微波电路又大又重,由大量的中空金属管道组成,也就是所谓的波导管。微波工程师在波导管中工作,看起来也像是管子工,他们的工具也包括锉刀、圆头锤子、环氧树脂和油漆。在20世纪60年代,出现了基于二维层状结构的平面传输线电路。这种电路相对更便宜、重量更轻,还提供了进一步微型化的潜力,这样就很快地引发了微波集成电路(MIC)概念的出现。

MIC也被称为混合电路,这是因为它同时包含有主动和被动器件(某些元件是在基底材料上印刷出来的,比如薄膜电容或是螺旋电感,其他元件则是芯片的形式,典型的主动器件如二极管以及离散的晶体管)。有了MIC,整个电路就能放置到一块基底上,器件之间互相连接,并可以连续地进行集成,从而可以取代由波导或共轴电缆连接起来的独立的微波器件。MIC可以支持大批量的生产并从而可以消减成本。然而,电路设计却仍旧由手工完成,使用书本上的公式和铅笔、Smith表、电路板、铜带、剃刀刀片、焊接铬铁还有测试设备。每项设计任务(MIC或波导)都需要对电路行为有充分的了解,对试湊法的实验有精密的观察,同时还需要有大量的时间。

 Wright Pat和德州仪器

1964年,美国空军的Wright Paterson航空实验室要求德州仪器(TI)提出一个航空前视雷达系统的提案,要求能尽可能多地使用半导体。其目标是为了验证T/R模块不但可以生产出来,而且其价格同未来更大的主动合成孔径相控阵雷达及ECM系统相当。结果就是启动了名为微波电子雷达应用(MERA)的项目,DARPA也提供了资助,这一项目极大地推动了微波技术的进步,并直接推动了1965年半绝缘硅和砷化镓基底上微条带传输及第一块硅MMIC的出现,还有1966年的X波段T/R开关、1966年的500MHz调谐放大器、第一款砷化镓MMIC、以及1967年的94GHz本地振荡器和平衡混合器。由于MERA项目的技术成功,它较终在1970年推出了一部完全可工作的雷达系统,而同时其他项目也在大多数美国及其境外的军方雷达研究机构启动了。微波电路设计必须快速跟上。

TI的工程师们为何能如此快速地推进微波电路设计呢?从1971年11月提交的一份美国专利中可以窥得一些线索,这份专利由TI的L.W. Dyer, T.W. Houston 和 G.J. Policky提交:“通过利用电路结构和所有元器件的初始值,可以通过一个自动数据处理机对电路设计进行修改,并通过改变设计变量使至少一个性能特性得到提升。需要选择一个期望的电路结构,所有电路元器件的初始值则被编码并存储在数据处理器中。另外,期望的性能特性也被选出并进行编码。利用编码后的输入信息,数据处理器可以生成并存储一个持续分析目标功能的表示。在数据处理器的运作中,会生成并存储目标功能的值。”

这一专利摘要涉及由TI开发的电路模拟和优化程序,它专门用于支持MERA项目的微波电路设计。这个程序就是CAIN(计算机辅助集成网络),它使用打孔卡片在IBM 360计算机上运行,这是专利提交者们在1969年IEEE-Wescon技术论文中提到的,“计算机辅助的微波集成电路设计。”3虽然TI的工程师们长年使用这一程序,但它却从未被公司进行商业化。

 第一款商业高频电路模拟器

使用微波带及带状线传输线的优势有小型化和更容易生产,但它的代价是设计上的不确定性。在这些问题中,微波条带的不均匀性会引起有效的介电常数,它随频率而增加,并因此会引起相位速度下降,特征阻抗变化及不连续,比如弯曲、T型(线交叉)及线宽变化,这些都需要合理地进行模型化,以便解决寄生效应并精确地表示它们的高频行为。在使用软件之前,微波工程师们都要依赖书本和手工计算来大致地估算电路行为,这个过程又慢又繁琐。

当时有一些公司在内部的大型主机上开发软件,但大多数微波工程师都没有计算机可用,更没有计算机辅助设计。他们中间就有一位Les Besser,他从1966年起在惠普(HP)微波部门工作,开发宽波段微波器件。也就是在惠普,Besser开始研究模拟器和阻抗匹配程序,但那个时候他的经理并没有批准他的这个辅助项目。

1969年秋天,加州大学伯克利分校的Ron Rohrer教授从仙童公司回到学校,开始讲授一门电路设计和分析课程。该课程计划是要发展一个综合和优化的电路模拟器的部件。其结果就是一个程序,称为“不包括辐射的非线性电路的计算机分析(CANCER)”。选用这个不常用的名字是了说明这个项目没有受到国防工业的资助,那时大多数电路模拟项目都会受到此类资助,但同时也会要求它们都要能够对电路的抗辐射能力进行测试。主要开发者中的一位是研究生Laurence Nagel。在他的新导师,Donald Pederson教授(代替了Rohrer)的指导下,Nagel把这个程序推进到公共领域的通常目的的电路模拟上。结果就出现了SPICE(强调集成电路的模拟程序),1972年它作为开放源代码的程序向公众发布了。

但是,SPICE不能处理分布的传输线,同时对于高频模拟也慢得不可接受。由于没有商业软件可用,许多公司(包括Besser的前雇主惠普)都开发了自己的内部软件。1970年,Besser离开加入了仙童公司的微波部门,在那里他集中研发MIC、砷化镓FET放大器以及CATV系统。在仙童公司,Besser写出了SPEEDY,这是一款两端口的分析工具,它还带有一个晶体管数据库,为仙童公司的晶体管配有高频设备S参数。

这个程序起这个名字,主要是为了宣传它的速度,与现有的时域模拟器相比要快得多,但它并不特别适合微波频率分析。那时候计算机(大型主机)非常稀有,并且超级昂贵,用户要想用这种程序,就得使用终端(也就是teletype)调制解调器通过本地电话线来分时共享,其速度低至只有110波特(比特每秒)。但即使这么慢,设计工具还是比原型化要快一点。在集成电路的情况下,SPICE已经证明了它们还是非常基本的。

Farinon Electric公司雇用了Besser来指导它们的微电路设计和开发工作。那时他设计了一个程序,称之为COMPACT(微波主动和被动电路计算机优化)。1973年,也就是SPICE 第一次在会议上亮相的那一年,Besser对他的程序进行了商业化,成立了Compact软件公司。这就是第一款微波CAD公司和第一款成功商业化的微波电路优化规程。

尽管在功能上还很有限,它还是给未来的高频设计工具指明了方向。该软件的第一版只能应对理想的传输线和两端口的元件,它们可以是级联的也可以是并列连接的。然后,微波条带元件以及非连续连接也加入了。更新的版本还可以进行粗略的匹配网络综合并使用字母和数字来设计Smith图表。

在亚特兰大召开的IMS 2008上面,Besser做了关于MIC/MMIC发明历史的演讲,他说“真正的闭合形式分析解决方案即使对相对简单的微波电路,比如单阶反馈放大器,也是不可行的,考虑到这一点,第一版的COMPACT包括了对电路元件的优化。尽管较初它只能做双端口类型的互连,但后续版本就加入了通用化的节点连接以及噪声优化。电路库还包含了大范围的元件,测量S参数数据库也是一样。”

可以对复杂的微波电路进行优化的能力较终说服了一度犹豫的工程师,他们开始接受把CAD作为一个可行的设计工具,结果就引发了一场电路设计的革命。经常情况下,一款软件产品的成功还是要依赖于它提升工程生产率的能力以及节省成本的能力。带有优化功能的软件可以把项目时间从数月砍到数天,并且为每个项目节省多达24000美元的经费,这是当时的广告所宣传的.

较初,COMPACT只能在大型主机或商业化的分时共享小型机上运行,工程部门要为每个CPU小时支付3000~5000美元(那时个人电脑还不存在)。用户界面比图形编辑器要早多了,因此,电路只能用连线单编辑器来定义。远程终端只能通过300波特的音频调制解调器进行连接。

 1980年,Compact软件公司被Comsat公司收购,Besser在接下来的3年时间里保持着同这家公司的联系,然后他离开创办了一家职业培训组织,称为Besser协会。在这段时间里,第3代程序SuperCompact™开发出来,运行在微型计算机上,诸如DEC的VAX设计工作站,它售价约为25万美元。随着微处理器和PC在1980年代全面革新了电子设计,软件与操作平台之间的联系在设计软件的商业前景中起到了关键的作用。

 更可用的计算机平台

企业家charles J. (“Chuck”)Abronson是Amplica Inc.的共同创始人(1972),并担任了该公司的CEO;他成功地推动了这家公司在1981年IPO上市,并随之在1982年同Comsat合并。Amplica曾经使用一款称为Magic的设计程序来开发它的顶级低噪声放大器,并在商业上获得了成功。

较终,Abronson成为了真正信任设计软件威力的人。在商讨将Amplica出售给Comsat的事务时,他遇到了Bill Childs,他是Compact下属公司的一名雇员。他们在1983年共同成立了EEsof公司。

EEsof的注意力集中在为迅速成长的并不太贵的个人电脑业务提供设计软件上,1984年,他们推出了他们的第一款产品,Touchstone® 线性电路模拟器。 他们较初的基于连线单的文本接口同SuperCompact的格式很相似,但向PC转移给Touchstone了一个改变游戏规则的优势地位,而这家公司也很快地侵蚀了Compact的市场份额。

EEsof还通过增加从软件到HP8510网络分析仪的链接增强了产品的功能。这样可以让测量的数据直接捕获进入分析仪软件。更重要的是,这项功能还能吸引那些工程师努力把“建造和测试”的设计方法引入使用中的软件中去。称为“Touchstone文档”(同时也因为它的文件后缀而被称为SnP文档)的文件较初是线性电路模拟器的专用格式。这个文件格式较终成为S参数(同样还有Y和Z参数)的业界标准,被电路模拟器和测试设备(V

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