基于數(shù)模混合集成電路的設(shè)計(jì)技術(shù)分析

【摘 要】集成電路在我國的信息產(chǎn)業(yè)中起著至關(guān)重要的作用，使得我國的微電子技術(shù)水平不斷提高，按照集成電路功能、結(jié)構(gòu)的不同，可以把集成電路分成三大類： 數(shù)字集成電路、模擬集成電路與數(shù)模混合集成電路。科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人們生活生產(chǎn)需求的不斷提高為數(shù)字模塊逐漸與模擬模塊內(nèi)嵌在同一個(gè)芯片上提供了很大的動(dòng)力。目前通訊與消費(fèi)類電子領(lǐng)域是數(shù)模混合集成電路應(yīng)用的兩大主要領(lǐng)域，除此之外人們也在逐漸擴(kuò)大數(shù)模混合集成電路的使用領(lǐng)域。本文主要對集成電路設(shè)計(jì)的主要流程進(jìn)行了簡單的闡述。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字集成電路；模擬集成電；數(shù)模混合集成電路

從集成電路設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)的角度來講，我國的設(shè)計(jì)技術(shù)水平與工藝發(fā)展還存在著一定的差距。模擬集成電路的發(fā)展速度十分緩慢，造成了模擬集成電路的發(fā)展與數(shù)字集成電路之間的差距越來越大。只有不斷提高模擬電路的設(shè)計(jì)水平，才能使我國的數(shù)模混合集成電路有更大的進(jìn)步。數(shù)模混合集成電路的整個(gè)設(shè)計(jì)過程非常復(fù)雜，同時(shí)包括了獨(dú)立的數(shù)字與模擬設(shè)計(jì)流程。此外，在把數(shù)模電路進(jìn)行混合的過程中，也會(huì)有單獨(dú)的設(shè)計(jì)步驟來檢驗(yàn)相關(guān)器件的實(shí)用性。

一、數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)的基本流程

EDA 工具對數(shù)字電路設(shè)計(jì)的支持非常重要，而且絕大部分的數(shù)字電路設(shè)計(jì)都是半定制的。系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)通常都是針對系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行的，需要將系統(tǒng)按照不同的模塊劃分開來，還要對整體的時(shí)序進(jìn)行精密的設(shè)計(jì)。方框圖往往出現(xiàn)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜的設(shè)計(jì)中，但是當(dāng)設(shè)計(jì)的規(guī)模很大時(shí)，就應(yīng)該對其做行為建模，之后再借助仿真驗(yàn)證來確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。通過寄存器傳輸級(jí)的 Verilog 和 VHDL 硬件描述語言描述功能來處理每個(gè)模塊的過程就是 RTL 級(jí)設(shè)計(jì)過程，在這個(gè)過程中為了實(shí)現(xiàn)代碼具有可綜合性，要注意完成時(shí)硬件的可實(shí)現(xiàn)性，之后對設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真的過程是為了確保 RTL 的描述功能在時(shí)間上和邏輯上都不存在問題。在 RTL 級(jí)仿真基礎(chǔ)上加上門延時(shí)即為門級(jí)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(shí)信息。把 RTL 級(jí)描述的代碼根據(jù)約束文件中的注意事項(xiàng)映射到門級(jí)網(wǎng)表上的過程叫做綜合，只有準(zhǔn)確地掌握芯片實(shí)際的工作環(huán)境及設(shè)計(jì)要點(diǎn)在約束文件中的規(guī)定，才能得到綜合的結(jié)果。在綜合的過程中，通過連線負(fù)載模型來計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)單元的延時(shí)，在注重實(shí)際工藝的同時(shí)也要忽略標(biāo)準(zhǔn)單元的具體位置，結(jié)果也必定存在一定程度的誤差。經(jīng)過上述步驟之后，即可對門級(jí)網(wǎng)表采取自動(dòng)布局布線的操作，具體步驟是：在滿足目標(biāo)函數(shù)的基礎(chǔ)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(gè)主要的內(nèi)容，目的在于使邏輯設(shè)計(jì)更簡單地轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢碓O(shè)計(jì)。在進(jìn)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(shí)縮短連線的總長度，保證電性能達(dá)到最優(yōu)化。檢查版圖的設(shè)計(jì)規(guī)則、電學(xué)規(guī)則是結(jié)束布局布線后需要進(jìn)行的步驟類似，在提取因自動(dòng)布局布線產(chǎn)生的寄生參數(shù)后進(jìn)行仿真，檢查電路的合理性及工作狀況。

二、模擬集成電路設(shè)計(jì)的基本流程

模擬集成電路中，其自身系統(tǒng)的配置與技術(shù)量與數(shù)字集成電路相比存在很大的差距，并且整個(gè)設(shè)計(jì)過程對人力的依賴性也比較強(qiáng)。在模擬電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，電路參數(shù)的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)十分關(guān)鍵的問題，所以設(shè)計(jì)人員要準(zhǔn)確地定義系統(tǒng)與子系統(tǒng)的功能，同時(shí)掌握系統(tǒng)的信噪比、時(shí)序以及面積等多個(gè)性能的參數(shù)范圍。由于現(xiàn)今我國仍然沒有十分完善的軟件，因此絕大部分的設(shè)計(jì)工作還是要依賴設(shè)計(jì)人員的手工制作。設(shè)計(jì)人員要按照仿真的結(jié)果來對電路的各個(gè)參數(shù)作出相應(yīng)的調(diào)整，這樣可以保證系統(tǒng)的安全性。當(dāng)仿真結(jié)果可以達(dá)到全部的設(shè)計(jì)指標(biāo)與功能的需求之后，才可以繼續(xù)下一步操作。電路的構(gòu)成與參數(shù)取決于電路設(shè)計(jì)與仿真的結(jié)果，但是當(dāng)這兩步流程完成之后并不可以直接交給工廠制作。設(shè)計(jì)人員應(yīng)對集成電路進(jìn)行相關(guān)的幾何描述，將設(shè)計(jì)電路用圖形描述的方式表達(dá)出來。物理驗(yàn)證的最主要目的就是確定實(shí)際的設(shè)計(jì)是否與版圖電路圖達(dá)成了一致。在進(jìn)行物理驗(yàn)證時(shí)，要按照給定的設(shè)計(jì)規(guī)則來驗(yàn)證，這樣就可以確保版圖的設(shè)計(jì)和相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)一致。與數(shù)字集成電路相比，模擬集成電路與寄生參數(shù)之間的聯(lián)系更為緊密，盡管前仿真結(jié)果可以滿足設(shè)計(jì)的需求，但是后仿真結(jié)果無法達(dá)到要求的情況也是十分常見的。當(dāng)后仿真的結(jié)果無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，就需要相應(yīng)地調(diào)整晶體管參數(shù)，有時(shí)還要改變整個(gè)電路結(jié)構(gòu)。在對設(shè)計(jì)的性能有很高的要求時(shí)，就要對整個(gè)結(jié)構(gòu)作多次的仿真檢驗(yàn)，當(dāng)仿真結(jié)果達(dá)到相應(yīng)的要求后才停止，以此來保證設(shè)計(jì)的高性能。

三、數(shù)模混合集成電路設(shè)計(jì)的基本流程

數(shù)模電路進(jìn)行混合時(shí)通常可以分為兩大部分，即數(shù)模混合電路的仿真與數(shù)模混合電路的物理設(shè)計(jì)。

（一）數(shù)模混合電路的仿真

數(shù)模混合電路仿真一直以來，數(shù)模混合電路的仿真都在追求實(shí)現(xiàn)在所有層次上都達(dá)到協(xié)同，同時(shí)還要貫穿整個(gè)的數(shù)模混合電路設(shè)計(jì)。現(xiàn)今，隨著人們生產(chǎn)需求的不斷提高，數(shù)模混合電路在設(shè)計(jì)過程中已經(jīng)不再是單純地對其進(jìn)行數(shù)字電路或模擬電路單方面的仿真，而是對兩者同時(shí)進(jìn)行仿真，并借助信號(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)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(shù)模混合電路仿真的整體速度與精度的重要因素。

1.數(shù)模混合電路仿真元素

如何處理數(shù)字仿真及模擬仿真之間的接口是一項(xiàng)十分重要的問題，只有解決了這一問題，才能為數(shù)模混合仿真環(huán)境提供保證。一般都是利用將模擬跟數(shù)字仿真器結(jié)合的方式來創(chuàng)造數(shù)模混合仿真環(huán)境，在整合之后由主控進(jìn)程來控制二者之間的數(shù)據(jù)傳輸，但二者仍然發(fā)揮各自的作用，獨(dú)立運(yùn)行。連續(xù)信號(hào)和離散信號(hào)分別由模擬電路和數(shù)字電路進(jìn)行處理，其中，模擬電路中需要利用極小的時(shí)間步長來進(jìn)行仿真過程，而數(shù)字電路中則僅需對電路中狀態(tài)的改變進(jìn)行跟蹤。因此，主控進(jìn)程的主要功能就是協(xié)調(diào)數(shù)字和模擬仿真器間的同步性。

2.數(shù)模混合電路仿真環(huán)境

選擇數(shù)模混合信號(hào)電路仿真環(huán)境過程中需要注意的問題是多方面的，在選擇數(shù)模混合信號(hào)電路仿真環(huán)境時(shí)，應(yīng)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(shù)字仿真器在信號(hào)表征上采用二進(jìn)制的方式；（2）檢查關(guān)鍵庫模型的實(shí)用性，并利用相關(guān)器材對模型的精度和性能進(jìn)行測驗(yàn)；（3）仿真建立時(shí)間、時(shí)鐘頻率、設(shè)計(jì)容量等多方面的因素決定著數(shù)模混合信號(hào)仿真環(huán)境的性能，而模擬仿真器決定著數(shù)模混合信號(hào)仿真環(huán)境的精度；（4）硬件描述語言在數(shù)模混合信號(hào)仿真環(huán)境中能夠?qū)?shù)字設(shè)計(jì)及模擬進(jìn)行建模、描述等處理；（5）數(shù)模混合信號(hào)設(shè)計(jì)主要包括模擬與數(shù)字電路部分，所以仿真環(huán)境要為界面良好的結(jié)果分析能力，例如快速糾錯(cuò)能力、模擬以及數(shù)字波形顯示能力等。

（二）數(shù)模混合電路的物理設(shè)計(jì)

模擬電路一般都是采用全定制方法來完成手工的版圖設(shè)計(jì)的，但是數(shù)字電路版圖則往往是借助自動(dòng)布局布線實(shí)現(xiàn)的。所以，數(shù)模混合電路在進(jìn)行物理設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)將全定制實(shí)現(xiàn)的模擬電路版圖當(dāng)作數(shù)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(shù)字后端工具在布局布線中準(zhǔn)確地放置模擬電路模塊與連接數(shù)模接口連線。除此之外，還要根據(jù)數(shù)字電路的后端流程，對整個(gè)數(shù)模混合電路的版圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，并完成相關(guān)的物理檢查，確保版圖的物理實(shí)現(xiàn)和電路設(shè)計(jì)能夠同步。數(shù)模混合電路物理設(shè)計(jì)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(shù)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的周圍，不宜太遠(yuǎn)，將連線安排到最短為最佳；（3）當(dāng)模擬模塊出現(xiàn)了噪音過大情況時(shí)，應(yīng)在版圖上用多層保護(hù)環(huán)和外界隔離開來，并在放置模塊時(shí)，遠(yuǎn)離芯片上的其它敏感電路；（4）當(dāng)模擬模塊出現(xiàn)耗能超出合理范圍大時(shí)，應(yīng)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(shí)，應(yīng)盡量將剩余的基本單元區(qū)域設(shè)計(jì)成矩形，如果這一步驟無法實(shí)現(xiàn)，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(biāo)準(zhǔn)單元區(qū)域的出現(xiàn)，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(chǎn)生不利的作用。