基于數模混合的集成電路設計技術

方惠蓉

(漳州職業技術學院電子工程系，福建漳州 363000)

基于數模混合的集成電路設計技術

方惠蓉

(漳州職業技術學院電子工程系，福建漳州 363000)

集成電路的應用使得我國的微電子技術水平不斷提高，并在我國的信息產業發展中扮演著十分重要的角色。集成電路可以分成三大類：數字電路、模擬電路與數模混合電路。科學技術的進步和人們生活生產需求的不斷提高為數字模塊逐漸與模擬模塊內嵌在同一個芯片上提供了很大的動力。目前通訊與電子產業是數模混合電路應用的兩大主要領域，與此同時人們也在不斷擴大數模混合電路的使用領域。基于這一背景，本文講解了數模混合電路設計的主要流程，以此為之后的研究工作提供借鑒。

數模混合電路；芯片；設計

從集成電路設計產業的角度來講，我國的設計技術水平與工藝發展還有著一定的差距。模擬集成電路的發展速度十分緩慢，造成了模擬集成電路的發展與數字集成電路之間的差距越來越大。只有將模擬電路的設計水平提高，我國的數模混合電路才能有更大的進步。數模混合集成電路的整個設計過程非常復雜，同時包括了獨立的數字與模擬設計流程。此外，在把數模電路進行混合的過程中，也會有單獨的設計步驟來檢驗相關器件的實用性。

1 模擬電路設計基本流程

模擬集成電路中，其自身系統的配置與技術量與數字集成電路相比存在很大的差距，并且整個設計過程對人力的依賴性也比較強[1]。在模擬電路系統設計的過程中，電路參數的實現是一個十分關鍵的問題，所以設計人員要準確地定義系統與子系統的功能，同時掌握系統的信噪比、時序以及面積等多個性能的參數范圍。由于現今我國仍然沒有十分完善的軟件，因此絕大部分的設計工作還是要依賴設計人員的手工制作。設計人員要按照仿真的結果來對電路的各個參數作出相應的調整，這樣可以保證系統的安全性。當仿真結果可以達到全部的設計指標與功能的需求之后，才可以繼續下一步操作。電路的構成與參數取決于電路設計與仿真的結果，但是當這兩步流程完成之后并不可以直接交給工廠制作。設計人員應對集成電路進行相關的幾何描述，將設計電路用圖形描述的方式表達出來[2]。物理驗證的最主要目的就是確定實際的設計是否與版圖電路圖達成了一致。在進行物理驗證時，要按照給定的設計規則來驗證，這樣就可以確保版圖的設計和相應的電路設計一致。與數字集成電路相比，模擬集成電路與寄生參數之間的聯系更為緊密，盡管前仿真結果可以滿足設計的需求，但是后仿真結果無法達到要求的情況也是十分常見的。當后仿真的結果無法達到設計要求時，就需要相應地調整晶體管參數，有時還要改變整個電路結構。在對設計的性能有很高的要求時，就要對整個結構作多次的仿真檢驗，當仿真結果達到相應的要求后才停止，以此來保證設計的高性能。

2 數字電路設計基本流程

EDA工具對數字電路設計的支持非常重要，而且絕大部分的數字電路設計都是半定制的。系統級設計通常都是針對系統的體系結構進行的，需要將系統按照不同的模塊劃分開來，還要對整體的時序進行精密的設計。方框圖往往出現在系統結構并不復雜的設計中，但是當設計的規模很大時，就應該對其做行為建模，之后再借助仿真驗證來確保系統設計的正確性[3]。通過寄存器傳輸級的Verilog和VHDL硬件描述語言描述功能來處理每個模塊的過程就是RTL級設計過程，在這個過程中為了實現代碼具有可綜合性，要注意完成時硬件的可實現性，之后對設計進行仿真的過程是為了確保RTL的描述功能在時間上和邏輯上都不存在問題。在RTL級仿真基礎上加上門延時即為門級仿真，具體含義為參照綜合電路布局，再一次仿真電路中的延時信息。把RTL級描述的代碼根據約束文件中的注意事項映射到門級網表上的過程叫做綜合，只有準確地掌握芯片實際的工作環境及設計要點在約束文件中的規定，才能得到綜合的結果。在綜合的過程中，通過連線負載模型來計算標準單元的延時，在注重實際工藝的同時也要忽略標準單元的具體位置，結果也必定存在一定程度的誤差。經過上述步驟之后，即可對門級網表采取自動布局布線的操作，具體步驟是：在滿足目標函數的基礎上，在芯片中正確地放置模塊，初始布局和迭代改善是布局布線的兩個主要的內容，目的在于使邏輯設計更簡單地轉變為物理設計。在進行布局布線的過程中要注意使芯片的面積盡量最小化，同時縮短連線的總長度，保證電性能達到最優化。檢查版圖的設計規則、電學規則是結束布局布線后需要進行的步驟類似，在提取因自動布局布線產生的寄生參數后進行仿真，檢查電路的合理性及工作狀況。

3 數模混合電路設計流程

數模電路進行混合時通常可以分為兩大部分，即數模混合電路的仿真與數模混合電路的物理設計。

3.1 數模混合電路仿真

一直以來，數模混合電路的仿真都在追求實現在所有層次上都達到協同，同時還要貫穿整個的數模混合電路設計[4]。現今，隨著人們生產需求的不斷提高，數模混合電路在設計過程中已經不再是單純地對其進行數字電路或模擬電路單方面的仿真，而是對兩者同時進行仿真，并借助信號轉換機制來為兩者的仿真方式的一致性提供保證。此外，模擬仿真器是決定數模混合電路仿真的整體速度與精度的重要因素。

3.1.1 數模混合電路仿真元素

如何處理數字仿真及模擬仿真之間的接口是一項十分重要的問題，只有解決了這一問題，才能為數模混合仿真環境提供保證。一般都是利用將模擬跟數字仿真器結合的方式來創造數模混合仿真環境，在整合之后由主控進程來控制二者之間的數據傳輸，但二者仍然發揮各自的作用，獨立運行。連續信號和離散信號分別由模擬電路和數字電路進行處理，其中，模擬電路中需要利用極小的時間步長來進行仿真過程，而數字電路中則僅需對電路中狀態的改變進行跟蹤。因此，主控進程的主要功能就是協調數字和模擬仿真器間的同步性。

3.1.2 數模混合電路仿真環境

選擇數模混合信號電路仿真環境過程中需要注意的問題是多方面的，在選擇數模混合信號電路仿真環境時，應注意的問題主要包括：(1)在接口模型的選擇上，與模擬仿真器不同的是數字仿真器在信號表征上采用二進制的方式；(2)檢查關鍵庫模型的實用性，并利用相關器材對模型的精度和性能進行測驗[5]；(3)仿真建立時間、時鐘頻率、設計容量等多方面的因素決定著數模混合信號仿真環境的性能，而模擬仿真器決定著數模混合信號仿真環境的精度；(4)硬件描述語言在數模混合信號仿真環境中能夠對數字設計及模擬進行建模、描述等處理；(5)數模混合信號設計主要包括模擬與數字電路部分，所以仿真環境要為界面良好的結果分析能力，例如快速糾錯能力、模擬以及數字波形顯示能力等。

3.1.3 數模混合電路仿真流程

圖1是目前絕大部分的仿真環境都會采用的數模混合信號仿真流程，在實際的應用中這種方式也是較為常見的。由圖1可知數模混合信號電路仿真的具體步驟，第一步驟為設計輸入，這一步驟主要是將數字電路和模擬電路的行為級描述或者電路圖輸入到系統中。第二步驟為選擇仿真選項，在數模混合信號仿真環境存在著許多各種各樣的仿真器選項，因此，這一步驟的目的就是要選出能夠滿足設計要求的選項，保證整個系統的正常運行。第三步驟為增加接口元件，數字部分的輸入或輸出端口與接口元件之間存在著十分緊密的聯系，并且需要在模擬與數字域之間轉換信號。數字輸出端口表示從數字域到模擬域的信號轉換，數字輸入端口則表示從模擬域到數字域的信號轉換。第四步驟為建立測試向量，根據數模混合信號電路設計的相關要求建立向量，模擬部分測試輸入由電壓源保證，數字部分測試輸入則需要借助Verilog來建立[6]。第五步驟為分析類型的選擇，分析類型對整個設計來說十分重要，因此要選出最合適的類型。絕大部分的數模混合信號仿真環境會應用到的仿真類型通常包括交流分析、瞬態分析、直流分析以及周期性功能轉換分析等多種，因此設計人員要對這些類型有深入的認識，并從中選出最適合的類型。第六步驟為運行仿真，在這一步中要建立運行測試向量，同時還要選出最優的仿真選項，最后還要做仿真驗證。第七步驟為分析結果，也就是深入研究輸出波形和報告文件，并判斷其是否可以達到設計功能的要求。

圖1 數模混合電路仿真流程

3.2 數模混合電路的物理設計

模擬電路一般都是采用全定制方法來完成手工的版圖設計的，但是數字電路版圖則往往是借助自動布局布線實現的。所以，數模混合電路在進行物理設計的過程中應將全定制實現的模擬電路版圖當作數字電路的模塊之一，從中提取出有用的物理信息。這樣一來就可以使數字后端工具在布局布線中準確地放置模擬電路模塊與連接數模接口連線。除此之外，還要根據數字電路的后端流程，對整個數模混合電路的版圖進行設計，并完成相關的物理檢查，確保版圖的物理實現和電路設計能夠同步。

數模混合電路物理設計過程中，要考慮到模擬電路模塊布局的問題主要包括：(1)模擬模塊一般要放置在數模混合芯片的邊或邊角上；(2)將模擬模塊盡可能地安置在輸入輸出的管腳位置的周圍，不宜太遠，將連線安排到最短為最佳；(3)當模擬模塊出現了噪音過大情況時，應在版圖上用多層保護環和外界隔離開來，并在放置模塊時，遠離芯片上的其它敏感電路；(4)當模擬模塊出現耗能超出合理范圍大時，應該把該模塊放置在離電源較近的位置，這樣就能有效避免不必要的能源損耗；(5)放置模擬模塊時，應盡量將剩余的基本單元區域設計成矩形，如果這一步驟無法實現，就使其最大限度的接近矩形，這樣就能夠減少多邊形或者長寬不一的標準單元區域的出現，從而減少了對面積的利用率和芯片的布通率的不利影響；(6)盡可能地不讓模擬模塊對重要路徑的走線產生不利的作用。

[1]閻石.數字電子技術基礎[M].4版.北京:高等教育出版社,2009:332-335.

[2]俞俊.數模混合SoC/IP—基于混沌的真隨機數發生器的設計與實現[D].杭州:浙江大學,2004.

[3]楊之廉,申明.超大規模集成電路設計方法學導論[M].2版.北京:清華大學出版社,1999.

[4]張紅莉.模擬集成電路設計方法學及模擬IP設計技術的研究[D].合肥:合肥工業大學,2005.

[5]居滋培,濮鈺麒,于林麗,等.熱電元件性能測試系統的電路設計[J].儀表技術與傳感器,2006(12):104-105.

[6]魯斌.數模混合集成電路設計技術研究[D].合肥:合肥工業大學,2006.

2013-10-11

方惠蓉(1980- )，女，福建云霄人，漳州職業技術學院電子工程系講師，從事電子信息處理、電路設計研究。

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1008-178X(2014)01-0061-03