由于该领域范围广泛，从射频电路、电源管理、基准天生、滤波器设计、振荡器到比较器和其他非线性电路，不一而足，一篇简短的评论文章显然不可能提及所有主题，更不用说涵盖所有主题了。因此，我们做出了选择。本文从放大器开始，由于放大器是决定系统性能的关键仿照构件之一。
我们简要回顾了基于集成电路的放大器的早期发展，以及放大器设计中一些精彩的电路创新。随后，我们重点先容 ADC 的历史和技能现状、其架构以及四十年来的效率改进。末了，我们回顾了传感器接口，首先重点先容了传感器接口的历史和各种传感器模式的技能现状，其次重点先容了神经放大器背景下用于生物电位记录的生物医学接口电路。
通过这些不同的主题，我们方向于强调晶体管和仿照集成电路对当现代界的主要性。
放大器
放大器是所有仿照电路的基石，由于它们用于旗子暗记调节和处理、低噪声运用、ADC 等。虽然第一个基于集成电路的运算放大器（OA）--Widlar 的 µA702 已经有两级，但无处不在的 µA741 却成为早期基于 PCB 设计的主力。它有两个级，一个差分输入级和一个 AB 类输出级。如图 1 所示，其 CMOS 等效器件仍在利用，但常日用 CMOS 反相器取代旗子暗记路径中的单晶体管。
放大器是全差分的，因此须要一个共模回馈电路。米勒补偿电容器 (CM：Miller compensation capacitor) 设定放大器的 GBW 乘积，并确保相位裕度。斩波用于减轻偏移和 1/f 噪声。然而，这种经典设计的功率效率很低。因此，在过去几十年中，为了降落达到给定速率所需的功率，人们提出了许多其他设计，如前馈、多级、正反馈和动态架构。
利用单级绕过双级放大器称为前馈，而利用双级放大器绕过单级放大器称为增益增强。不过，这两个术语描述的电路基本相同！
前馈引入了一个左平面零点（left-plane zero），通过抵消一个非显性极点来确保稳定性 。与米勒补偿比较，前馈放大器的效率可轻松提高两到三倍。
利用负阻抗或正反馈可以实现更高的效率。负电容用于扩展射频放大器的带宽由来已久，而负电阻则被用于 OA。如图 2 所示，将负电阻（M3 , M4）连接到输入对（M1, M2）的源极，可在功耗相同的情形下增加跨导和 GBW 。负电阻也可以连接到对称或负载补偿放大器输入级的负载上 [5]。它们还可用于抵消偏移和增益不敷，因此是高性能放大器的推举构件。
多级放大器还能大大降落功率。在三级放大器中，第二级用于创建零点，对非主极点进行补偿。图 3 中的三级放大器[7]实现了二阶极点-零点补偿：跨导值 gmt 常日是 gm2 的两到三倍。因此，在降落第二级功耗的同时，仍可得到比传统嵌套式米勒三级放大器大约 40 倍的 GBW，从而实现放大器 FOM . 四级放大器中间级更繁芜的有源滤波器可产生更惊人的 FOM = 96,000 MHz $ pF/mA 。
在采样数据系统中，利用动态放大用具有上风，由于它们只许可利用所需的带宽，从而在给定噪声哀求下最大限度地降落功耗。如图 4 所示，常日利用相同的电路配置，也在所有偏置分支中利用开关。另一种类型是浮动逆变器动态放大器，在这种放大器中，切换的是叠加电压而不是放大器。这样就能以有限的功耗供应适当的偏置。
通过利用更高效（如 AB 类）的放大器拓扑构造，还能进一步节省大量功耗。此外，C 类和环形振荡器放大器也能供应更好的功耗节省。尤其是 D 类放大器，其输出设备在高频率下切换，可以在极低的失落真水平下供应靠近 100% 的功率效率，常日用于音频运用中。
数据转换器
放大器的这些创新模糊了数字和仿照电路履行之间的界线，这就引出了本简要评论的第二个主题，即仿照数字接口，即数据转换器。数据转换器是仿照旗子暗记链中的末了一个或第一个环节，详细取决于旗子暗记流程。 只管 DAC 在电子系统中也发挥着重要浸染，但由于 ADC 种类更多，有名度更高，而且险些所有 ADC 也都采取了内部 DAC，因此我们仅对 ADC 进行简要的历史回顾。由此，我们可以窥见自集成 ADC 首次涌现以来 40 多年的构造创新和性能演化。Walt Kester 撰写了一本非常完全的手册，个中包括对数据转换器的大量历史概述，感兴趣的读者可参阅。
早在集成电路涌现之前，人们就对量化和 ADC 的基本事理进行了探索、研究、申请专利和出版著作。个中最著名的作品有 Howard 提出的跟踪 ADC 、Inose 提出的三角积分调制器 (DSM) ，以及 Kaiser 的 SAR ADC 。
然而，在第一批集成电路涌现一、二十年前，就有人提出了闪存、子量程、流水线、计数、斜率、电压-频率转换和其他 ADC 架构。这些早期的实现都基于真空管（例如，1954 年重新租用的第一个商用 SAR ADC），而在集成电路发明之后，这些实现都基于分立晶体管。但直到 20 世纪 70 年代初，才涌现了基于集成电路构件的稠浊式和模块化 ADC，以及完备集成的数据转换器。
个中有两个值得把稳：1978 年，Paul Brokaw 设计了第一款完全的单片 SAR ADC，包括基准天生，以 40 MS/s 的速率达到 10 b；1977 年，van der Plassche 设计了一阶 DSM，以 200 kHz 的时钟频率达到 6 b，包括自动归零，这两款产品都采取了bipolar技能。
20 世纪 80 年代是许多运用高速发展的时期，1988 年涌现了第一个商用单片 16-b DSM。数据表上开始涌现更详细的规格，如 SNR、SNDR、ENOB、SFDR、孔径抖动等。虽然集成电路技能的改进以及电路和系统研究紧张决定了技能的进步，但新的独特事理仍在不断被创造。例如，韶光间隔 ADC 的观点于 1980 年提出，而增量、MASH 和带通 DSM 则是在 20 世纪 80 年代末揭橥的。将不同的 ADC 事理组合成创新的稠浊形式至今仍在推动创新，例如在流水线 ADC 或 DSM 中利用 SAR 或利用基于 VCO 的量化器并将其纳入 DSM 。此外，利用 DSP 来纠正仿照电路的非空想性现在已无处不在。
随着韶光的推移，已有数以千计的 ADC 设计问世，因此对其性能进行综合剖析已成为一个备受关注的课题。模数转换器可能是所有电路构件中最完善的，其 FOM 是最主要的。最常用的两种方法是 1994 年提出的 Walden FOMW ，以及 Richard Schreier 于 2005 年描述的 Schreier FOMS ，但这实在早在 1997 年就已提出。如今，Boris Murmann 的性能调查涵盖了自 1998 年以来所有 IEEE 国际固态电路会议 (ISSCC) 和 IEEE 超大规模集成电路技能和电路研讨会的结果，险些被所有数据转换器出版物普遍引用。图 5 显示了过去 40 年中报告的最佳 FOMW。
令人惊叹的是，由于技能升级和电路创新，40 年来报告的最佳 ADC 效率险些提高了六个数量级。然而，最佳报告的 FOMW 彷佛已经饱和，我们也可以预见，创记录的 FOMS 也将很快跟进。仔细不雅观察数据可以创造，最佳 FOMS 是在有限的几类架构中得到的：中平分辩率/速率 SAR 得到了最佳 FOMW，而高分辨率低带宽噪声整形 SAR 和稠浊 SAR + DSM ADC 得到了最佳 FOMS。这强调了一个事实，即单一数字并不能解释全部问题，因此应在相同运用的 ADC 之间进行 FOM 比较。
此外，在报告 FOMS 时，校准引擎、抽取滤波器以及输入和参考缓冲器所花费的功率每每被忽略。幸运的是，数据转换器界对此有很好的理解，因此人们越来越关注转换器的易驱动性、隐式滤波、更好的免校准线性度等，而不仅仅是创下新的 FOM 记录。
在过去十年中，可以不雅观察到 ADC 的几大发展趋势。
首先，SAR ADC（紧张由其在按比例 CMOS 中的卓越效率驱动）已变得无处不在，从最高能效到最快速率的韶光交错 ADC 都能找到它的身影；噪声和失落配偏差整形的利用模糊了与 DSM 的差异，在最新技能水平中，它们常日被用作 DSM 循环的量化器。
其次，可以找到带宽惊人的 DSM，尤其是基于 CT 环路滤波器的 DSM，它们具有固有滤波功能，更易于驱动，带宽达数百兆赫兹，线性度乃至超过 100 dB。随着带宽的扩大和孔径不愿定性的显著改进，奈奎斯特 ADC 的带宽已达数百兆赫兹，分辨率超过 10 b。
末了，基于韶光的量化技能得益于技能的扩展，目前已成为低（或中）分辨率 ADC 或作为高分辨率 ADC 一部分的最节省面积的办理方案。
智能传感器接口
过去几十年来，直接与传感器和感应器连接的 ADC 越来越受到关注。由此，我们进入了智能传感器接口领域。如今，传感器遍布我们的家庭、汽车和手机。这些传感器大多是 "智能 "的，由于它们与放大、线性化和将微弱的仿照输出转换为稳定的数字数据所需的所有接口电路集成在一起。通过奥妙地利用硅的特性，智能传感器可以丈量各种物理征象，如光、力、热和磁场等。
晶体管和集成电路的发明促进了对半导体特性的广泛研究。人们很快创造，半导体不仅可以用来制造电路，还可以用来制造传感器。20 世纪 60 年代，压力、应力、温度和磁场传感器在 ISSCC 上揭橥了报告。随后是图像传感器，从 CCD 开始，随后是 CMOS 图像传感器，CMOS 因其较低的制造本钱而成为主流技能。人们还创造，BJT 的明确特性可用于实现精确的电压基准和温度传感器。另一项重大发展是利用微加工技能制造微机电系统 。这迅速实现了带有移动部件的传感器，如压力传感器、加速度计和陀螺仪。
早期的硅传感器常日输出较小的仿照旗子暗记，然后由外部电子设备进行放大、处理和数字化。但到了 20 世纪 70 年代，单片放大器的涌现意味着放大和滤波可以在芯片上完成。最初，微调 BJT 放大器用于实现低偏移和 1/f 噪声。很快，动态偏差减少技能（如斩波和自动归零）的利用使 CMOS 放大器也能实现类似的性能。此外，通过利用 DEM，增益（或比率）偏差可降落到 ppm 级。这些技能的各种组合，如自动归零和斩波、嵌套斩波(nested chopping)以及 DEM 和斩波]，使得放大用具有纳伏级偏移和 ppm 级增益偏差/线性度。
智能传感器发展的下一步是开拓与外界连接的强大接口。20 世纪 80 年代，传感器常日采取频率和占空比调制器。通过对两电平旗子暗记转换时序中的仿照信息进行编码，此类调制器可以输出与微处理器兼容的旗子暗记，而不会限定传感器的分辨率。然而，随后转换为高分辨率数字数据须要一个低抖动的高频参考时钟。此外，由于没有标准化，因此每个传感器都须要自己特定的旗子暗记链。
随着单片 ADC，特殊是 DSM 的发展，这统统都发生了改变。后者能够以速率换分辨率，这意味着传感器相对较慢的输出可以在芯片上进行数字化，而不会限定其分辨率。反过来，芯片数字化又使智能传感器能够通过标准数字总线和协议与外界通信。这使它们更易于利用，并使它们能够作为具有明确规格的独立构件在市场上发卖。此外，它还使大部分所需的片上旗子暗记处理（滤波、微调和线性化）能够在数字域中灵巧、精确地完成。
为了降落本钱，人们致力于开拓与 CMOS 兼容的传感器，这些传感器可以与其接口电子器件集成在同一芯片上。然而，除了一些例外情形（热传感器和磁场传感器），这种方法对传感器的性能造成了太多限定。如今，大多数智能传感器都采取双芯片方法，即在一个芯片（或基板）上采取优化的制造工艺实现传感器，而在另一个芯片上实现 CMOS 接口。这种方法还有利于在单个封装中集成多个传感器（见图 6）。
在传感器和电路创新的推动下，智能传感器自 20 世纪 80 年代以来取得了长足的进步。基于 BJT 的温度传感器便是一个很好的例子。图 7 利用 Kofi Makinwa 在线调查中的数据绘制了其精度和能效的演化过程。虽然它们的精度现在彷佛已经趋于稳定，反响了工艺扩散和校准本钱所带来的限定，但它们的能效却提高了近四个数量级，反响了接口电子器件的改进。其他类型的智能传感器也有类似的发展趋势。
过去二十年来，智能传感器的发展紧张受移动设备和汽车运用需求的驱动。然而，当前物联网的发展趋势推动了自主智能传感器的发展，即可以利用环境能源供电、因此不须要电池的能量网络传感器。传感器领悟是另一个紧张趋势，这种设计将多个传感器和本地智能相结合，以实现更好的性能。
生物医学传感器接口
前面谈论的传感器接口的共同点是与传感器结合在一起，而生物医学传感器接口则与生物旗子暗记源相连。由于晶体管和集成电路的发明以及技能的扩展，电子技能得以运用于过去从未见过的领域，因此本综述的末了一部分将先容生物医学传感器接口。电生理学研究生物细胞和组织的电特性，对理解人体功能起着至关主要的浸染。它不仅涉及电压变革、电流和生物阻抗的丈量，还涉及在不同尺度上对生物组织的操作。电生理学的起源可以追溯到路易吉-加尔瓦尼（Luigi Galvani）的首创性研究，他在 1791 年创造，施加电流可以激活去世蛙的肌肉。这引发了人们对 "生物电 "观点的研究，并终极开拓出记录组织乃至单个细胞的眇小电流和电位的仪器。
晶体管和集成电路发明后，新兴的仿照电路设计技能被用于开拓更前辈、微型化和可植入的生物医学接口。1958 年，阿克-森宁（Ake Senning）发明了第一个植入式心脏起搏器，这是一项极具影响力的早期成果。20 世纪 70 年代，集成电路传感放大器、数字逻辑和无创电子掌握的引入极大地改进了这一技能。同一年代，Kensall Wise 宣布了利用植入衰落电极记录大脑生物电位的首创性事情。这些发展为当代硅神经探针奠定了根本。
如今，当代电生理学技能可以精确丈量来自心脏、大脑、神经和肌肉的生物电位。特殊是，可穿着式心脏监测仪已越来越受欢迎，尤其是用于对心血管疾病患者的长期监测。集成电路和技能扩展使各种生物医学设备成为可能，包括感官假体植入（如耳蜗和视网膜植入）、运动假体（如掌握机器臂）、脑起搏器（即脑深部刺激器）、葡萄糖传感和胰岛素运送等。
这些生物医学运用中有许多须要专门的读出电子设备来获取高旗子暗记质量的生物电位。如图 8 所示，低噪声、高输入阻抗、高共模抑制比和大差分输入范围以避免运动伪影造成的饱和[38]，对付可靠和准确的可穿着读出系统至关主要。此外，要实现合理的电池寿命，还须要非常低的功耗。常日，全差分高输入阻抗仪表放大器（IA）用于放大生物电位旗子暗记。由于仪器放大器的特性决定了读出链的整体性能，因此人们提出了许多电路技能来知足上述哀求，纵然在电极极化电压产生较大直流偏移和低频漂移的情形下也能实现。为了减少共模滋扰，常日会利用第三个电极，通过一个称为 "right-leg drive "的主动反馈回路将身体偏置为直流电压。
利用植入式探针进行神经记录已成为丈量单细胞水平神经电活动的盛行方法 。硅探针具有精确的柄形、精确的制造工艺、自动化能力以及与 CMOS 电路集成等上风。图 9 展示了一个完备集成的 CMOS 探头。神经记录电路必须应对多项寻衅，包括神经旗子暗记幅度小、旗子暗记频率低、电极偏移、电极阻抗高以及须要高密度神经接口。目前常用的神经读出架构有两种：一种是传统架构，包括一个增量耦合放大器和一个模数转换器；另一种是直接数字化方法，在模数转换器环路中合并了一个输入跨导级。
在 首次提出的传统架构中，互换耦合可有效阻挡电极偏移，而高阻抗伪电阻则用于设置 IA 输入节点的直流偏置。互换耦合电容器必须足够大，以供应足够的增益，但也不能太大，以免互换输入阻抗过度恶化。IA 中可以利用不同的放大器架构，个中折叠级联和基于逆变器的 OTA 最受欢迎。须要优化多路复用比，以办理 ADC 及其前置驱动器所需的功率和面积之间的权衡问题 。SAR ADC 在中平分辩率和低频范围内具有良好的功耗效率，因此常用。由于传统的声耦合读出器的可扩展性有限、输入动态范围有限，而且对工艺变革的敏感性也不理想，因此最近人们开始探索直接数字读出器架构作为一种办理方案。为此，超采样 ADC 可用于开拓双向神经接口的纯记录或伪影耐受架构。目前已提出了基于三角Σ调制、三角调制以及两者结合的不同读出办法；这些读出办法可以非常紧凑且可扩展。
总体而言，可穿着和植入式生物电子学领域在不断发展和完善，新的传感器技能和电路技能不断开拓，以供应更准确、更舒适的监测。在神经科学领域，硅神经探针越来越密集，如图 10 所示，可以同时记录越来越多的神经元。然而，设计具有更强并行记录能力的神经接口却面临着新的寻衅：数据瓶颈。为了应对这一寻衅，目前的研究重点是实现片上数据剖析。这为仿照和稠浊旗子暗记前端设计职员带来了激动民气的设计寻衅和机遇。
结论
仿照电路是现实天下与电子天下的接口。75 年前晶体管的发明为我们供应了一个可以开关和放大的微型坚固器件。仿照电路以多种多样、不断变革的办法利用晶体管的这两种功能。晶体管和集成电路的发明以及随之而来的技能升级对我们天下的改变超过了人类历史上的大多数发明。技能规模的扩大为我们带来了晶体监工作速率和集成密度方面的巨大进步，但同时也加剧了晶体管的非空想性，导致了却构和电路的创新，以及广泛的数字赞助仿照电路设计。从放大器的电路创新到数据转换器的构造创新，再到传感器接口领域的系统创新，这篇综述让我们理解了仿照电路的一小部分贡献。只要我们还生活在仿照天下中，未来还会有更多的贡献和创新。
