利用MOSbius芯片学习模拟系统设计

一块芯片让你掌握模拟现实世界的精髓。

要想学习数字系统设计，无论是尝试现场可编程门阵列，还是为Tiny Tapeout项目提交芯片设计，业余爱好者和学生都有丰富的选择。但模拟设计方面的类似工具却始终不多见。当然，你可以通过LTspice等模拟器创建模拟电路，然后对照理论进行验证，但这终究比不上搭建真实的模拟电路并测量其实际（而非理论）行为的各项数值。模拟设计的测量尤为复杂，因为测试设备可能会影响每一项测量结果。

为了填补这一空白，笔者带领哥伦比亚大学电气工程系团队开发了MOSbius。这是一款可兼容面包板的芯片，可以将其视为用于模拟设计的现场可编程晶体管阵列。

顾名思义，MOSbius以金属氧化物半导体（MOS）晶体管为核心，可分为n型和p型晶体管。作为当今大多数模拟集成电路的基础元件，MOSbius能提供与真实芯片开发直接相关的体验。

MOSbius有68个引脚，其中63个连接至独立晶体管或常见模拟子电路（例如电流镜和运算放大器级），另有2个引脚分别用于连接正负电源电压。

剩下的3个引脚用于对内置开关矩阵进行编程。虽然可以将外部导线连接到MOSbius的引脚来构建电路，但使用开关矩阵更便捷。这样做可以将任意65个晶体管引脚、子电路引脚及电压引脚连接到10条内部总线中的一条或多条。编程时只需输入650位的简单数据流（每位数据对应总线与引脚间的一个可能连接）即可完成矩阵编程。

对MOSbius矩阵编程时，我们采用了运行Python脚本的树莓派Pico，该脚本能将简易的JSON文本文件转换为所需位流。当然，也可以使用几乎任何一种支持Python的3.3伏微控制器来实现这一功能。

MOSbius的工作电压为2.5伏。在对开关矩阵编程时，用于连接引脚和830触点无焊面包板的印刷电路板会将树莓派Pico的3.3伏工作电压降至适配电压。该印刷电路板还集成了偏压电路和过压保护电路。

由于MOSbius芯片仅包含晶体管，所以电阻器和电容器等元件需以外部连接的方式插入面包板。你或许会认为，使用这些外部元件会导致对真实模拟集成电路行为的不精确近似，因为其片上电阻器、电容器均由硅材料制成，而不是金属膜或陶瓷等材料。

不过，当信号速度低于1兆赫时，实际的问题反而是这些外部元件的精度过高（超过1兆赫时，面包板的寄生电容等问题才会显现）。即便是廉价的直插式电阻，实际阻值与标称值的误差通常也在5%～10%以内，而精度为1%的直插式电阻很常见。相比之下，集成元件的实际值偏离标称值30%都是常有的事。

因此，实际模拟电路的设计必须预留充足的内部裕量。要掌握这种设计技巧，需要理解输入信号和元件参数变化时，电路中各关键节点的动态响应，而这必须通过实际测量才能实现。

在模拟电路中，你可以点击任意节点读取参数，完全不会影响电路行为。而使用MOSbius时，虽然电路同样支持近乎所有节点的接入，但此时你将直面一个工程现实：接入测试探针会改变电路的行为。对有志于将创意转化为实体芯片的工程师而言，关键是要找到干扰最低的测量方案。也许你会淡忘当时的大量计算和理论分析，但亲眼见证电路成功运行的那一刻必将成为长久的记忆。

MOSbius芯片支持用户深入探究集成电路的内部设计，这一特性的灵感源自555分立式定时器套件（Three Fives Discrete Timer Kit），该套件使用分立式元件重现了史上最经典的集成电路555定时器的工作原理。当然，你不仅可以用MOSbius复刻555，还能实现许多其他演示电路，可从LED闪烁灯这一硬件界的“Hello world”开始。

MOSbius的诞生纯属机缘巧合。在筹备制造学生用的集成电路项目时，我们发现如果能赶上发货截止日期，这批晶圆还能塞下一个小芯片。6周后，MOSbius就正式投产了。

对于这批限量生产的150枚芯片，我们将以象征性地收取每枚150美元的价格（价格可能调整，但仅用于收回成本），向有意将其引入实验室的教育工作者提供MOSbius套件。目前我们也在开发改进版本。该芯片可用于从本科到研究生课程中不同复杂程度的电路设计项目。我们的网站上发布了全套教程和实验手册。若有意获取此套件，可通过mosbius.org网站与笔者联系。

虽然当前可提供的套件数量极为有限（毕竟我们只是大学实验室，并非半导体制造商），但我们希望未来能让更多教育者和爱好者用上MOSbius。要实现这一目标，最好的方式就是与我联系，因为充足的市场需求才是我们说服商业合作伙伴的关键筹码。

文章来源于 悦智网 ，作者 Peter Kinget

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