模拟电路设计为电子工程师软肋，教育缺失是根本

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分析2304份有效调查问卷发现，工程师认为最具挑战性的设计前五位分别为EMI/EMC设计、射频设计、低噪声电路设计、信号处理和电源管理，分别占到受访工程师总数的42%、33%、30%、27%和24%，而EMI/EMC设计、射频设计、低噪声电路设计和电源管理都直接关系到模拟电路设计。模拟电路设计成为中国电子设计工程师面临的最大设计挑战。

模拟电路设计挑战分析

“模拟电路设计更像一门艺术而不是一门科学。”这是业界对模拟设计特点的高度总结，而艺术的东西是需要时间去沉淀的，本次参加调查的所有回 复者中，工作经验在5年以下的占55%，缺乏设计经验，尤其是对实践性很强的模拟电路设计经验的缺乏是这些工程师的普遍问题。此外，众多的半导体厂商不断 推出集成各种新功能和新特性的器件，了解并掌握这些器件对于提高工程师解决问题的能力十分重要，而这本身对于设计工程师来说具有一定的挑战性。另一方面， 如何适应电子产品更新换代对设计工程师设计知识和经验带来的更新需求，是所有硬件设计工程师都必须面对的问题。

1． 射频设计的多种挑战因素

射频设计挑战在通信行业更普遍存在，46%以上的通信设计工程师认为射频设计是最大的技术挑战之一。在通信产品设计中，射频问题比较多的表 现在射频干扰、天线匹配、接收灵敏度、天线耦合灵敏度、器件参数一致性等问题，解决这些问题需要具有丰富的设计经验、验证测试工具和方法。

随着3C融合趋势的不断发展，越来越多的消费电子产品需要采用射频电路，这给很少接触射频的消费电子工程师带来极大的挑战。长虹数字平面 显示公司一位工程师就遇到这个问题，在该公司的一款采用802.11无线传输音视频信号的产品中，如何解决射频信号带来的稳定性、EMI和噪声问题十分棘 手。海信公司一位数字电视机顶盒设计师表示，如何选择满足国内有线网络特点的高频头，提高高频头输出后端电路灵敏度是设计中非常具有挑战性的问题。

射频元器件本身对射频电路设计也带来极大的挑战。重庆信威通信公司的一位工程师指出，由于元器件参数的不一致性导致产品射频接收电路的实 际性能与电路设计通常有一定的差异，这种问题在设计中很难控制，只能在产品调试中发现并在后期解决。这种问题在射频设计中很普遍，如手机天线开关与放大器 之间的匹配、天线耦合灵敏度、射频模块本身的质量问题等。

缺乏必要的测试设备和方法是工程师在射频设计中普遍存在的问题。某知名分销商的一位高级工程师表示，通常设计中的仿真分析与实际的结果存在较大的差 距，然而客户常常缺乏必要的测试设备，产品中出现因为射频设计带来的问题时很难通过有效的方式解决，而经验和试验通常成为唯一的解决办法。

2． 低噪声、电磁兼容设计：缺乏经验是最大的挑战

低噪声设计挑战更多地出现在一些小信号处理应用中，如传感应用、小信号测试、信号采集以及高端音频系统等。噪声源通常来自电源/地波动、数字信号的高频分量干扰、同步开关噪声、信号线与电源及地之间交互影响以及器件本身的热噪声。

电磁兼容和低噪声设计需要综合考虑器件本身的性能、寄生参数、产品的性能要求、成本以及系统设计中的每一个功能模块，通过布局布线优化、增 加去耦电容、磁珠、磁环、屏蔽、PCB谐振抑制等措施来确保EMI在控制范围内，需要工程师具有良好的理论基础并具有丰富的实践经验，认真处理设计中的每 个细节。然而，这些素养是很多电子设计工程师所不具备的，必须在不断的工程实践中培养和积累。

另外，成本因素对电磁兼容和低噪声设计带来极大的压力。华为的一位工程师表示，考虑到成本的因素， PCB的层数需要尽可能少，因此可能没有完整的地层，这对克服EMI和信号噪声带来很大的挑战性。而为了提高EMC，须要采用像滤波器、磁珠和磁环这些额 外器件，对产品成本带来极大的压力。如何以最低的材料成本满足EMC要求对工程师的设计能力提出了极高的要求。

电子产品需要通过3C、CE、FCC和VCCI等认证，电磁兼容性已经成为硬件设计工程师必需考虑的问题。通标标准技术服务有限公司一位 实验室经理向本刊透露，由于工程师普遍缺乏EMC的设计经验，几乎所有产品都必须进行多次设计整改才能通过认证测试，通常DVD产品的3C认证通过率仅为 20%左右，彩电通过率在50%左右。

3． 电源管理挑战

工程师对电源设计知识和电源元器件缺乏了解是产生电源管理挑战的主要原因之一。TI的一位高级应用工程师指出，很多设计工程师对电源解决方案和电源技术缺乏了解，不能清楚了解电源产品架构的优缺点、特性差异，他们更多的是从价格来区分产品。

半导体技术的发展对管理带来不断的变革。当前处理器、CPU在不同工作状态和频率下，一般有至少有两个不同的工作电压需求；另外，一些先进 的电源解决方案增加了很多新的特性，如利用串行接口或片上EEPROM的可编程特性等。这些新的功能特性对于习惯于传统电源设计的工程师来说，在接受这些 产品架构特点和设计方法上有一定挑战性。

产品的更新换代同样给电源设计带来挑战，对那些集成媒体播放等丰富功能的便携式电子产品设计来说，低功耗的电源管理压力是传统同类产品所 未有的。而在一些产品中低功耗并不是唯一的问题，创维公司的一位资深设计工程师就困扰于电源散热问题：与传统CRT彩电相比，液晶电视具有厚度规定，很难 采用传统彩电所用的散热片散热方法，而背光和显示屏产生的环境温度很高，如何提高电源效率、降低电源本身发热非常重要。

此外，电源通常是主要的EMI和噪声源，面临当前更严格的电磁兼容认证要求，电源设计工程师需要在设计中抑制产生的纹波、传导、辐射干扰和噪声。

高校教育缺失之痛

对于中国电子工程师普遍面临的模拟电路设计技术挑战，山东大学一位教授指出了问题的症结：“模拟电路因为难学通常被学生戏称为‘魔鬼电路 ’，他们普遍偏重数字电路和软件。而且，模拟电路设计实践性很强，而高校难以提供大量的模拟电路设计操作条件。”这样的观点得到了很多高校教授的认同，天 津大学电子信息工程学院一位资深教授在接受我们的电话采访时，对于中国射频技术教育的缺失痛心疾呼：“中国电子设计人才培养最差的就是射频技术，高校在射 频技术的教育上快成空白了。”他指出，射频课程的教学需要配合大量的实验课程，需要投入大量的高端仪器，而国内高校普遍都严重缺乏这方面的投入。

高校教育的缺位导致设计工程师普遍在模拟设计上基础薄弱。在对参与本次调查的工程师抽样回访中，就射频设计、电磁兼容、低噪声电路设计和 电源管理几个反馈最多的设计挑战问题，听到最多的就是“没有接触过”、“缺乏经验”、“积累不够”、“缺乏实践指导类书籍”。一位开发ZigBee工业应 用产品的工程师坦言，他们对射频技术缺乏了解，甚至对一些基本的概念都不清楚。而这些设计团队最终的解决办法通常就是采用完整的芯片组方案和参考设计以及 半导体厂商/分销商的技术支持，而这样一来不可避免会牺牲产品设计的灵活性、成本等，同时难以实现设计经验的积累。

 

iSuppli公司最新报告预测，截至2010年，中国在车载信息娱乐行业的全球出货量份额有望达到42%，如果照这样的势头发展下去，中国马上就会成为该领域的全球设计中心。

其实，这种转变并非只发生在车载娱乐领域。在去年的中国电子工程师设计能力 水平调查中，我们就已经发现了外资纷纷在华建立研发中心并侧重本土化设计的趋势，并进行了相关剖析报道。而今年，跨国企业在中国的人才争夺战继续升级。不 久前，微软公司表示将在3到5年内使中国的研发人员扩充2倍，达到3000人以上；中国惠普公司实施了自进入中国以来最大的人才招聘行动——1000聚英 计划；而Google中国公司则在全国50多所高校广纳贤才，并称要用10-20年在中国培养出一批世界一流的科学家进行创造性工作。

上述种种迹象表明，中国的研发地位正在急速上升，中国在从“全球制造中心”向“全球设计中心”转变的过程中，步子似乎迈得越来越快。

但是，在繁荣表象的背后，中国设计人员的设计实力是否也在大踏步前进？在各种不同的电子设计领域，工程师的设计能力是否存在差距？消费电子 等领域严重的同质化现象，是否折射出工程师的创造能力有限？而在系统层面，什么又是工程师认为难以跨越的障碍？在系统设计过程中，困扰工程师的难题究竟是 什么？面对中国自主创新 各类标准，工程师如何看待？中国IC产业正在蓬勃发展，然中国工程师的接受态度究竟如何？相信对上述一系列问题，中国广大电子工程师同我们一样，迫切地想 知道答案，正因如此，在进行“2006中国电子工程师设计能力调查”时，我们有针对性地对相关数据按行业和地区进行了深入、细致的分析，希望能够帮助大家 从中寻找答案。

“2006中国电子工程师设计能力与水平调查”我们共收到了2,610份回复，其中有效回复达到88%以上。在2,304份有效回复中， 78%的参与者表示正在从事电子系统设计和开发，9%正在从事工程管理，而其余13%的回复者则是从事测试工程、行业服务、咨询、学术研究等工作。从领域 分布来看，表示主要参与消费类、通信系统、工控、计算机、医疗、网络设备、汽车电子以及军用电子产品设计的回复比例分别为41%、39%、24 %、14%、11%、11%、 8%以及6%。

调查结果显示，珠三角、长三角、环渤海仍是工程师人数最多、电子产业最为活跃的地域，来自上述三个地区的反馈者比例分别为30%、29%和23%，占到总体回复者的82%以上。充分的样本数量、多地区参与以及多行业覆盖，使调查结果真实描画出中国现有整机设计妊孕水平。

工程师具备的电子产品设计经验平均在6年以上，参与的设计项目平均在5个左右，两者在连续三年均未发生大的变化。而在上述项目中，50%是从头开始的全新设计项目，43%是在现有设计基础上的改进型项目，较去年分别下降了4和6个百分点。

调查中很多数字与去年同期相比并未出现太大变化，这似乎正反映了电子工程设计的特点：电子设计是一个需要长期积累的行业，绝不可能一蹴而就。在我们 的采访中，当谈到中国整体R&D能力时，被访者普遍达成的共识就是：整体能力和水平目前还不够高，尚不能满足自身经济发展需求，但是进步还是很显 著的，尤其是在通讯和消费电子领域。

北京首科凯奇电气技术有限公司技术总监石忠东就表示：“中国工程师队伍正在逐渐步入成熟，但是发展中还存在很多不足。”他以工业控制和驱 动行业为例指出，中国目前的低端产品和简单产品，例如经济型数控系统，步进电机驱动等的设计能力、可靠性和市场占有率都表现不俗，甚至将国外产品挤出了市 场。但是在五坐标数控系统，高精度伺服，直接驱动技术等中高端市场，产品的成熟度还很低，市场占有率更是几乎为零。他特别强调：“其实在国家的支持下，这 些中高档领域始终有国人在努力耕耘和开拓，只是基础还是太薄，非一日之功。”

创新究竟为何难？

“创新”一直以来好像都是中国工程师的“心头痛”。在对“哪一项能最好描述你或你的团队目前的设计工作”的问题中，大约14%的回复者表示 会在国内、国际没有相关产品/系统的前提下，从概念到实现完全自己设计。在国家努力倡导自主创新的今天，该数字与去年相比没有上升，反而下降了1个百分 点。那么，究竟是什么阻碍了工程师的创新能力？在他们眼中，实现创新和差异化设计最为困难的地方到底在哪里？

在我们随机进行的电话采访中，几乎所有被访者都认为研发人员本身设计能力的不足是导致无创新的根本原因。联想研究院移动终端测试经理魏鸿 伟指出：“新的功能/特色往往会使用市面上少见的技术，这对设计人员的技术能力是个巨大的挑战。没有足够的研发实力根本无法驾驭一个包含很多创新的项 目。”在这其中，项目领导者的作用尤为重要，因为他们对新功能的理解会影响开发的走向，他们一旦出现经验不足、知识面不广的情况，就会导致最新的信息和资 源不能及时应用到实际设计中去。此外，设计人员如果DFM做得不好，对产品量产的考虑不足，也会导致产品构思和最终产品化出现巨大鸿沟。

除设计人员本身素质外，被访者还提出了其他多种影响创新的因素，但是大致都围绕在以下几个方面：

a) 资金投入。通常情况下，创新功能的引进会带来很多资金方面的需求，新材料、新认证、新版税等需要的成本都会成为实现创新的障碍。

b) 风险考虑。在技术上有巨大突破的创新功能(比如GPRS、蓝牙等曾经的新功能)在开发时，测试工程师往往对如何进行测试一无所知，这样对产品的质量会造成很大影响。

c) 项目自主能力。由于设计小组在企划方面不能完全自主，所以有些功能只是考虑和研究，无法真正得到实施。

d) 成熟的开发流程。企业缺乏成熟的开发流程以及相关经验，对创新产生了负面影响。

e) 明确的需求。很多企业没有明确的需求导向，因而工程师只能在有限需求或简单需求面前，进行低水平重复开发。

一些回复者认为国际巨头提供的越来越全面的参考设计也为自主创新带来了负面影响，但是从我们的调查中可以看到，不选择参考设计的回复比例较 去年的7%上升了1 个百分点，而表示参考设计比例占项目40%及以下的反馈人数比例为56%，较去年增加了7个百分点。这些数字表明，虽然被称为“total solution”的参考设计的确会扼杀一部分设计人员的创新和设计能力，但是从整个行业来看，越来越多的工程师一直都在努力摆脱对参考设计的完全依赖。

增加功能——实现差异化主要手段

那么在上述不利因素影响下，设计人员如何实现创新或进行差异化设计呢？

在调查中，63%的回复者选择了增加功能。从行业来看，该选项在通信系统领域得到了最为广泛的支持，比例高达71%；而消费类和汽车电子领 域也高于平均水平，分别达到67%和66%；其余领域则均低于平均水平。这似乎并不难理解，上述三个均为中国目前的热门领域，竞争增大所带来的同质化现象 严重，而增加功能往往是最为有效的差异化手段。魏鸿伟指出：“以手机行业为例，传统的通话功能已经无法打动所有消费者，新功能必然随之产生，而且会随着不 同消费团体的需求而有所不同。”而从事汽车音响设计的北京爱普新思电子技术有限公司的CTO鲍晓东也表示：“新功能的推出为我们带来了很好的效益。我们通 过免调系统替代了之前的‘铁盒子’(调谐器)。从2003年起，我们就开始设计将调谐器做在主板上，并且采用了ST和飞利浦等尖端的不需要手工调整的调谐 芯片，利用软件并通过外部给信号来自动调整线圈匹配。”

但是我们也必须看到，这些新增加的功能自主创新仍然很少，很多行业的设计人员都会关注国内外已有的先进产品。这也非常符合我们的调查结 果，在调查中，68%的工程师表示会选择跟随国内外已有的相关产品进行重新设计，而其中选择国际已有产品的比例更是占了绝大多数。我们必须承认，国外在很 多领域有更为深厚的技术积累，因此产品也比我们做得更好，更加超前。上海华龙测试仪器有限公司副总工张小康就表示：“过程控制中的PID调节，根据被控对 象创建适合的数学模型有一定的难度，尤其我们的试验仪器设备，在试验过程中系统特性是变化的，而目前国内此类产品的PID控制都比较初级，缺少变特性的 PID控制模型，更缺少任意曲线的加载控制等功能，但是国外的产品在这方面就比较领先，大多都有这样的功能。”鲍晓东也指出：“我们的优势就是非常了解国 外的发展方向，我们部分参照了别人的想法进行重新设计。例如上面提到的免调系统并不是我们的创新，蓝宝早在2000年就推出了此类产品。但是我们利用目前 最新的技术、最好的芯片进行重新设计。”

从图2可以看到，选择通过降低成本和提高可靠性的回复也不在少数，分别为62%和53%。

上海松下微波炉有限公司硬件项目主管姜淑艳针对此提出了自己的意见，她认为：“降低成本有时候会导致质量问题，而且有时候由于对整体把握不足因而很 多评价实验方面的内容不能够完全涵盖；而提高可靠性则是工作的重点，但是由于失效方面的文献不多，而且市场分析数据不是很准确和完善，因而工程师需要更加 关注。”

而其他领域根据自身特点，选择差异化的主要手段各有不同，相比之下，工控和航空、航海、军用电子领域更看重可靠性，比例分别为63%和 60%；从事计算机行业的人员选择软件优化的比例为29%(平均值为20%）；从事网络设备的工作人员对提高系统速度更感兴趣，比例达到32%(平均值为 19%)；而从事医疗、科学和测试仪器/设备的工程师对减小尺寸更为关注，回复比例高达24%(平均值为15%)。

在这里，对软件重视度的提高值得一提。我们的调查数据显示，当工程师拿到一个系统设计方案时，通过仅重新设计软件的方法利用参考设计的比 例从去年的6%涨到今年的12%，翻了一番。这样的做法虽然并非主流(52%的工程师选择重新设计部分硬件和软件)，但是考虑到产业界独立软件外包公司的 逐渐增多，该数据从侧面反映出系统厂商对软件重视程度有所提高。

缺乏技术沉淀导致多项系统级挑战

本次调查中，当被问及工程师面对的系统设计层面挑战有哪些时，41%的回复者选择了对系统技术趋势的把握，37%认为是对相关标准的理解，而30%也表示缺乏先进的测试测量仪器是极大难题。(图3)

对系统技术趋势以及标准的把握，本身就是对工程师系统技术全面认识以及技术综合能力的考验。一个平台性的项目必须要对技术趋势以及需要遵循的标准给 予准确的判断：产品面市后，是否符合消费者的期望？而其中所用的技术是否仍然领先？产品是否符合相关标准要求？这些都是设计工程师在进行项目规划时应该思 考的问题。石忠东表示：“我很高兴看到中国工程师将这上述两点视为系统层面的主要挑战，这其实恰恰反映出整个电子行业的发展水平和技术积累程度。当然，目 前中国电子行业的技术积累还远远不足，但是这样的答案说明我们已经达到了一定程度。”

在石忠东眼中，中国并不缺乏合格的工程师，但是却缺乏合格的系统设计师(这点同软件行业很像，软件行业不缺乏高级程序员，但是高级系统分 析师却十分缺乏)。而其他很多接受采访的资深工程师面对这样的调查结果，也都无奈地感叹：“青年一代工程师在捕捉知识方面极有优势，但是却很难把握整个系 统趋势，要么超前，要么滞后。”

鲍晓东就举例道，比如中国汽车娱乐设备的发展，目前行业内就存在一个错误的导向。大家都在谈DVD和导航，导航从长远来看肯定是发展的方 向，但是DVD在汽车市场却没有多大的发展潜力。他指出，其实汽车内部的音频发展才是车载娱乐的主流，而且有关音频还有很多尚未开发的领域。比如根据车内 环境和空间进行自动处理的audio-DSP，这个在国外早几年就开始的技术国内却鲜有人在进行研究。

而对相关标准难以把握，不少人认为主要原因在于整个行业比较急功近利，青年一代比较浮躁，不愿意做深层次工作。但是姜淑艳对此却有不同的 看法，她认为：“有关标准方面的要求比较笼统和深奥，每个公司和行业都有对应标准方面的问题、方法以及经验，但是这些信息相对来说都是保密的。如果行业内 部能够有一些针对新产品设计开发所需的标准实例供参考，那么将对研发大有帮助。”

鲍晓东也认为标准问题并不像很多人想象的那么简单。他指出，比如CAN总线，各个公司都会有自己不同的标准，而每一个厂商提供的产品也不 尽相同。而且，各公司之间的标准是互不公开的。但是如何面对这种情况，工程师或设计团队该如何解决？鲍晓东认为，唯一的途径就是多参与与各大公司进行的合 作项目。但是同掌握系统技术趋势一样，要实现这点，工程师必须进行多年的技术积累。据鲍晓东介绍，爱普新思在刚成立的时候曾经沉寂了几年，潜心进行技术研 发，而正是这样才使得他们先后获得了同奇瑞、歌乐等大型企业的合作机会，也使得他们的工程师成为车载音频领域的专家。

测试/测量仪器的缺乏同样会困扰开发人员。但这个问题却需要从两个方面进行分析：第一是经费的拮据，很多公司(尤其是小型系统公司或设计 公司)迫于资金问题，并没有完善的测试测量设备；而第二点则是设计或测试人员自身的认识和手段不足问题。Mentor Graphics公司亚太区市场总监张维德特别指出：“中国用户对一些新工具、新方法论的接受速度也比较慢。比如在先进验证、混合信号仿真等方面，他们还 没有意识到问题的严重性以及相应工具的重要性。以功能验证为例，许多用户依然认为只要投入大量的人力物力和时间去进行仿真，就一定能覆盖足够多的漏洞。他 们还不是非常相信先进技术所能起到的作用。”石忠东很同意上述说法，他补充道：“有时候，虽然有测试设备，但是问题往往是该测什么？怎么测？其实，这也是 中国很多企业做不好产品的原因之一。”

作者:蒲文清   更新日期:2006-11-21
来源:环球资源   浏览次数:

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