數(shù)字模擬混合集成電路的設計分析

李若飛

（長沙韶光半導體有限公司 沈陽分公司，遼寧 沈陽 110031）

0 引 言

雖然我國可以熟練運用14納米級完成產(chǎn)品工藝技術，達到世界先進水平，但是設計工作依然還有很大的提升空間，需要開展進一步研究，以提升設計及制造水平[1]。數(shù)字模擬混合集成電路的發(fā)展應用過程中，存在模擬集成電路發(fā)展緩慢的問題，尤其是與數(shù)字集成電路相比，有很大差距。因此，必須深入研究提升模擬集成電路設計水平，推動我國數(shù)字模擬混合電路技術發(fā)展。

1 集成電路設計過程中的抽象層次劃分及其功能

在集成電路設計過程中必須考慮電路的設計和仿真效果，一般往往設置成“從上到下”的抽象層次類別，即系統(tǒng)級別、RTL級、門級、開關級。

（1）系統(tǒng)級別。這一抽象級別常被應用于設計中的兩個方面，一個是應用在仿真和驗證系統(tǒng)中，另一個則是在設計中通過這一級別概念來確定一些特定結構的實現(xiàn)標準。

（2）RTL級。這一層次是利用一些線路及寄存器等來進行電路功能描述的層次。常見的描述方式有純邏輯描述和結構描述兩種。其中純邏輯描述應用范圍更廣。

（3）門級。門級是利用邏輯門結構化連接的方式來實現(xiàn)對電路布爾功能關系描述的層次，常見門級包括如NANDNOR、XOR等。

（4）開關級。開關級是用來進行晶體管連接情況描述的層級，常被用在電路信號路徑時序信息驗證過程中[2]。

2 數(shù)字模擬混合集成電路設計的思路

隨著科學技術的發(fā)展，集成電路的設計及制造技術也逐步進入了納米時代，這個過程中最初的模擬電路和數(shù)字電路已經(jīng)不能滿足納米時代對電路設計和制造的基本要求，需要進一步優(yōu)化和提升。最原始、最傳統(tǒng)的自下而上的模擬電路設計思路已不能滿足需求，在向著從上到下的設計思路轉變。其中模擬信號的基本切換是以晶體管級仿真為基礎，數(shù)字信號切換是以行為級為基本應用條件。同時電路圖可以控制模擬電路設計模塊，硬件語言則可以控制數(shù)字電路設計模塊。為了提升數(shù)字模擬混合電力設計的效果，必須引入最新的設計理念、流程及設計方法。在進行數(shù)字模擬混合信號集成電路設計、制造時，可以通過一個基板來承擔模擬和數(shù)字功能[3]。而模擬部分與數(shù)字部分間信息的相互傳遞過程，則可以通過各種數(shù)字或模擬信號轉換接口來實現(xiàn)。具體的數(shù)字模擬混合信號電路結構如圖1所示。

圖1 數(shù)字模擬混合信號電路結構圖

實際電路結構設計時，最為理想的狀態(tài)就是保證仿真環(huán)境中對應的集成模擬及數(shù)字算法的一致性，并通過仿真器來實現(xiàn)對所有電路的描述。為了避免不同計算方法轉換時引發(fā)的錯誤發(fā)生，需要利用混合信號仿真器來實現(xiàn)對不同算法的統(tǒng)一過程。一般而言，在對應的條件發(fā)生變化時，對應的變化便可以引發(fā)數(shù)字仿真器動作，這時模擬仿真器是通過動態(tài)時間步長來進行控制。實際工作中，還可以通過建立混合信號原理圖的方式來進行管控，在創(chuàng)建原理圖以后再進一步形成分層網(wǎng)表文件，并在仿真環(huán)境中進行驗證。模擬電路模型與數(shù)字電路模型不同，二者的差異性很大，實際應用時在同一個模型書庫建立中遇到了包括投資成本、技術難度大等多項阻力。因此，仍然處于理論研究的階段，并未實現(xiàn)實踐應用[4]。目前往往都通過幀耦合的方式來實現(xiàn)模擬和數(shù)字混合信號仿真模擬及數(shù)字驗證。不同的先進EDA制造商都會利用不同的同步機制方式來實現(xiàn)對模擬電路仿真器及數(shù)字電路仿真器的整合，將二者放置到同一仿真環(huán)境中。同時，為了保證二者數(shù)據(jù)可以正常交換應用，必須將模型和數(shù)據(jù)放置到同一數(shù)據(jù)庫內。

3 數(shù)字模擬混合集成電路設計流程

3.1 模擬電路設計流程

不論是數(shù)字集成電路還是模擬集成電路，設計效果都會受到設計流程的影響，尤其是對于模擬集成電路而言，必須要重視模擬電路設計流程及人員管理。要保證設計的有效性，就必須保證設計的有效性、齊全性。因此，必須保證設計流程環(huán)節(jié)的先后順序符合要求，環(huán)節(jié)齊全，在這個過程中就必須重視設計人員管理。模擬電路設計過程中，電路中設計參數(shù)的選擇和設計是重點。因此，設計者必須重視對應參數(shù)的選擇和管控。一方面需要明確各部分主電路及分電路起到的主要作用，做好各線路的功能劃分；另一方面還要做好線路運行過程中的信噪比、時序等關鍵參數(shù)設計選擇。

目前，我國對應的電路設計軟件還不能滿足電路設計需求，所以實際電路設計過程一般都依靠設計人員人工設計。為了保證電路的穩(wěn)定性，實際模擬電路設計時需要考慮仿真環(huán)境條件的結果來進行具體的參數(shù)調節(jié)。如果仿真結果可以達到要求，就可以進行下一步的設計工作。電路的參數(shù)選擇和電路設計及仿真結果有很大的關系，在設計工作及仿真驗證完成以后，并不能直接將工作交給生產(chǎn)廠商進行制造，而是需要提前按照設計情況來畫出可以表示電路結構的電路幾何圖形，并按照驗證規(guī)則和要求來進行設計與線路圖的一致性驗證[5]。這里要注意的一點是，必須要關注模擬集成電路設計和寄生參數(shù)選擇的關聯(lián)。很多時候即使仿真結果符合要求，也必須調整參數(shù)或調整電路基本結構，以保證電路設計的有效性。同時對于電路性能要求高的情況而言，還需要通過進行多次仿真測試的方式來驗證整個電路結構，直至電路結構符合要求。

3.2 數(shù)字電路設計流程

電子設計自動化（Electronic Design Automation，EDA）是設計數(shù)字電路過程中必不可少的部分，大部分的數(shù)字電路設計過程都是靠人工和自動化兩個方面結果來完成的。系統(tǒng)設計過程中往往都需要依據(jù)系統(tǒng)的具體架構和模塊來進行設計。因此，實際應用中需要將系統(tǒng)進行模塊劃分，同時應用中還需要充分考慮具體的模塊設計時間順序。實際設計中需要根據(jù)設計框架圖來進行設計，對于設計規(guī)模較大的情況而言，還需要建立對應的模型進行仿真檢查，以確保設計線路的合理性。在設計過程中，通過硬件描述語言來對電路模塊進行處理的過程，就是RTL抽象層次設計過程，應用時還可以保證在硬件上的可應用性。設計和仿真能夠保證RTL描述功能中無時序和邏輯問題出現(xiàn)，還可以把門延遲運用到RTL電平仿真中來完成門級仿真，實際運用中還需要保證約束文件內部對應記錄的芯片工況和設計標準的正確性，進而保證合成結果。合成過程中，還應該根據(jù)連線負載模型來獲得標準單位延遲，完成以上操作結果以后，在門級網(wǎng)表上自動布線，布局和布線過程中要注意控制芯片面積及布線總長，以保證電氣性能。

3.3 數(shù)字模擬混合電路的具體內容

3.3.1 數(shù)字模擬混合電路仿真設計

因為電路設計過程中會有很多不同的抽象層次設計，所以要求數(shù)字模擬混合電路仿真設計時必須考慮抽象層次問題，實際的電路結構設計必須能夠實現(xiàn)對所有混合電路抽象層次的仿真。雖然在數(shù)字集成電路及模擬集成電路的設計工作開展時，數(shù)字模擬電路已經(jīng)可以在系統(tǒng)級、RTL級、門級和開關晶體管級等抽象層次進行仿真驗證過程。但是因為模擬集成電路設計技術效果不夠先進，采用的設計手段和工具也存在很多的局限性，使得模擬電路系統(tǒng)的兼容性不佳，尤其是與數(shù)字集成電路相比較，依然存在很大的差距[6]。目前，數(shù)字模擬混合電路仿真都是分別在各抽象層次上進行數(shù)字電路與模擬電路的仿真，然后利用同步信號轉換的方式來對數(shù)字電路、模擬電路的仿真結果進行分析。其中，數(shù)字模擬混合電路仿真的效率和結果準確性取決于模擬電路仿真過程。

3.3.2 數(shù)字模擬混合電路物理設計

實際數(shù)字模擬混合電路設計中并不能完全實現(xiàn)自動化。目前數(shù)字電路基本可以通過自動化工藝來實現(xiàn)，但是模擬電路設計中往往更多需要人員來參與設計。因此，數(shù)字模擬混合集成電路的物理設計過程中需要在數(shù)字電路模塊中安排模擬電路，并在里面獲得對應的物理信息，方便后期電路設計工作的開展。實際工作中，可以利用電路設計自動化工具來進行對應的模擬電路模塊布局。最后，要保證數(shù)字模擬混合電路設計和物理情況的相符性，需要依據(jù)數(shù)字電路后端處理來進行數(shù)模混合電路布局設計及物理驗證過程。具體的數(shù)模混合電路物理結構設計過程中，還可以使用下面的方法來進行模擬電路模塊設計安排。一般模擬電路模塊處于數(shù)字模擬混合芯片的邊角位置，其設計應該靠近I/O位置，這樣設計的最終目的就是控制減少布線長度。而遇到模擬電路模塊噪聲問題時，還需要利用多層保護環(huán)的方式來進行隔離，同時注意電路模塊與其他敏感電路的距離要足夠長，距離噪聲源要遠，避免模塊相互間及噪聲對其造成的干擾和影響。

4 結 論

集成電路設計過程中對應的部件尺寸變小，技術更加精密，給技術改進和提升提出了更多的要求。因此，從業(yè)人員必須對數(shù)字模擬混合信號集成電路設計技術進行深層次的研究和討論，為技術的進一步改進提出優(yōu)化建議，以推動我國集成電路設計技術的發(fā)展。