數模混合芯片的驗證

摘 要 數模混合芯片是電子市場上增長最快的部分之一。隨著芯片的規模越來越大，整個芯片的驗證難度增加，導致驗證的不完整性和覆蓋率的不確定性。在小規模的芯片驗證中，模擬或數字模塊，我們都假設它們是已經充分驗證過的，對于頂層來說，只關心模塊的輸入輸出信號，而不關心內部的任何信號。對于大規模數模混合芯片來說，由于它包含多個反饋通路和更復雜的模擬數字交互行為，傳統的黑盒測試模式已經不能滿足驗證的要求。還有一個是電路的抽象層次問題，一個能夠支持各種抽象層次的驗證平臺，對于驗證效率大有幫助。在這篇文章中，我們將會涉及到數模混合芯片驗證的難點，驗證模型的編寫，混合接口的連接等問題，提出解決大型數模混合芯片驗證的可能方法。

【關鍵詞】數模混合芯片 驗證 建模 混合接口

1 數模混合芯片驗證的難點

集成電路芯片驗證的工作量根據芯片復雜度的增加指數級增長。對于數模混合電路芯片來說，任務變得更為復雜，包括仿真器的速度問題，數字和模擬電路的接口問題，模擬電路的建模問題等等.

數字電路的驗證已經有了規則的方法學：驗證計劃，有約束的隨機激勵測試，驗證平臺的自動化，驗證插入檢測和驗證覆蓋率測試。模擬電路一直是使用傳統的對于某個關注點的特定測試，驗證的計劃和覆蓋率測試很少被用到。

一般來說，模擬電路的驗證仍然以晶體管級模擬作為流片的標準，SPICE提供了高精確度，但是它在頂層仿真中實在太慢，除非非常必要，否則不建議在頂層仿真中使用SPICE仿真。為了提高仿真速度，許多混合信號驗證都需要用到模擬行為的建模，這樣可以大大提高仿真速度。建模語言可以使用，verilog-ams，Verilog-a，vhdl-AMS或systemverilog等等。

對于模擬電路的建模，可以分為3種，性能模型需要精確的描述電路的行為，功能模型只需要細化到能夠描述電路的正確功能就可以了，還有一種模型更為復雜，如果工藝不夠成熟的話，還可以在模型中添加工藝參數來更加細致的對電路進行仿真。

2 數模混合芯片驗證模型

模擬電路的行為模型，主要是對模擬電路的行為作出數學抽象，這種抽象可以分為幾個層次，下面我們可以以放大器作為例子。

最簡單的功能模型：

A：放大倍數。

Input vin_p， vin_n

Output vout

-ε

更詳細一點，增加一些參數：

輸入電阻：Ri

輸出電阻：Ro

信號源內阻：Rs

負載電阻：Rl

-ε

Vi = （vin_p-vin_n） * Ri/（Rs+Ri）

再詳細一些的模型，我們需要增加更多的參數：

放大倍數： gain

頻率單位增益： freq_unitygain

輸入電阻： rin

輸入偏移：vin_offset

電流偏置：ibias

轉換速度：slew_rate

輸出電阻：rout

輸出限制電壓：vsoft

輸入端電容：c1

跨導：gm_nom

最大電流：iin_max

輸入端內阻：r1

最大輸入電壓： vmax_in

源端電阻：rsrc

輸出電容：cout

以下模型摘自cadence公司軟件自帶代碼。篇幅所限，有興趣的讀者可以在$cadence_install/tools.lnx86/dfII/samples/artist/spectreHDL/Verilog-A/analog目錄下自行閱讀完整代碼。

analog begin

@ （ initial_step or initial_step（"dc"） ）

begin

c1 = iin_max/（rsrc）；

…

// Input stage.

I（vin_p， vin_n） <+ （V（vin_p， vin_n） + vin_offset）/ rin；

…

// GM stage with slewing

…

// Dominant Pole.

…

// Output Stage.

…

// Soft Output Limiting.

…

end

從上面的例子我們可以看出，模擬電路的建模，根據模型的細致程度，分為多個層次。需要花費的時間，也從幾個小時，到幾天不等。如果還要加入工藝參數，那將會是一件更加復雜的工作。

3 數模混合芯片接口

對數字電路來說，仿真器需要能夠分辨0，1，X和Z。對于模擬電路來說，仿真器需要能識別連續的值。在2種電路的接口處需要有連接模塊，這種模塊能夠把數字信號翻譯成相應的模擬電壓值，并且能夠把模擬電壓值翻譯成0，1，X和Z中的一個。這種雙向的連接模塊在驗證仿真的時候是自動插入數模接口的，設計驗證人員需要做的就是選擇正確的連接模塊規則。

4 結論

數模混合信號的SOC的驗證是一個復雜的任務。當集成電路的復雜度增加的時候，舊的頂層黑盒測試已經不能夠滿足需要，數字和模擬之間復雜的交互導致了驗證難度的增加。我們開始使用建模和混合仿真來解決這個問題，這樣不僅能夠提高仿真速度，而且能夠提高驗證覆蓋率。

參考文獻

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作者簡介

呂珣（1980-），女，四川省瀘州市人。現為恩智浦（中國）管理有限公司工程師。研究方向為集成電路。

作者單位

恩智浦（中國）管理有限公司 上海市 200070