基于數(shù)?；旌系募呻娐吩O計技術

方惠蓉

(漳州職業(yè)技術學院電子工程系，福建漳州 363000)

基于數(shù)?；旌系募呻娐吩O計技術

方惠蓉

(漳州職業(yè)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(chǎn)業(yè)發(fā)展中扮演著十分重要的角色。集成電路可以分成三大類：數(shù)字電路、模擬電路與數(shù)?；旌想娐贰？茖W技術的進步和人們生活生產(chǎn)需求的不斷提高為數(shù)字模塊逐漸與模擬模塊內(nèi)嵌在同一個芯片上提供了很大的動力。目前通訊與電子產(chǎn)業(yè)是數(shù)?；旌想娐窇玫膬纱笾饕I域，與此同時人們也在不斷擴大數(shù)?；旌想娐返氖褂妙I域。基于這一背景，本文講解了數(shù)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(shù)?；旌想娐?；芯片；設計

從集成電路設計產(chǎn)業(yè)的角度來講，我國的設計技術水平與工藝發(fā)展還有著一定的差距。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。只有將模擬電路的設計水平提高，我國的數(shù)?；旌想娐凡拍苡懈蟮倪M步。數(shù)?；旌霞呻娐返恼麄€設計過程非常復雜，同時包括了獨立的數(shù)字與模擬設計流程。此外，在把數(shù)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(tǒng)的配置與技術量與數(shù)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(tǒng)設計的過程中，電路參數(shù)的實現(xiàn)是一個十分關鍵的問題，所以設計人員要準確地定義系統(tǒng)與子系統(tǒng)的功能，同時掌握系統(tǒng)的信噪比、時序以及面積等多個性能的參數(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(shù)作出相應的調整，這樣可以保證系統(tǒng)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(xù)下一步操作。電路的構成與參數(shù)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(guī)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(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(shù)，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(shù)字電路設計基本流程

EDA工具對數(shù)字電路設計的支持非常重要，而且絕大部分的數(shù)字電路設計都是半定制的。系統(tǒng)級設計通常都是針對系統(tǒng)的體系結構進行的，需要將系統(tǒng)按照不同的模塊劃分開來，還要對整體的時序進行精密的設計。方框圖往往出現(xiàn)在系統(tǒng)結構并不復雜的設計中，但是當設計的規(guī)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(tǒng)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(xiàn)代碼具有可綜合性，要注意完成時硬件的可實現(xiàn)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(jù)約束文件中的注意事項映射到門級網(wǎng)表上的過程叫做綜合，只有準確地掌握芯片實際的工作環(huán)境及設計要點在約束文件中的規(guī)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(jīng)過上述步驟之后，即可對門級網(wǎng)表采取自動布局布線的操作，具體步驟是：在滿足目標函數(shù)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(nèi)容，目的在于使邏輯設計更簡單地轉變?yōu)槲锢碓O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(yōu)化。檢查版圖的設計規(guī)則、電學規(guī)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(chǎn)生的寄生參數(shù)后進行仿真，檢查電路的合理性及工作狀況。

3 數(shù)?；旌想娐吩O計流程

數(shù)模電路進行混合時通?？梢苑譃閮纱蟛糠郑磾?shù)?；旌想娐返姆抡媾c數(shù)?；旌想娐返奈锢碓O計。

3.1 數(shù)?；旌想娐贩抡?/p>

一直以來，數(shù)模混合電路的仿真都在追求實現(xiàn)在所有層次上都達到協(xié)同，同時還要貫穿整個的數(shù)?；旌想娐吩O計[4]?，F(xiàn)今，隨著人們生產(chǎn)需求的不斷提高，數(shù)模混合電路在設計過程中已經(jīng)不再是單純地對其進行數(shù)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(shù)?；旌想娐贩抡娴恼w速度與精度的重要因素。

3.1.1 數(shù)?；旌想娐贩抡嬖?/p>

如何處理數(shù)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(shù)?；旌戏抡姝h(huán)境提供保證。一般都是利用將模擬跟數(shù)字仿真器結合的方式來創(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，獨立運行。連續(xù)信號和離散信號分別由模擬電路和數(shù)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(shù)字電路中則僅需對電路中狀態(tài)的改變進行跟蹤。因此，主控進程的主要功能就是協(xié)調數(shù)字和模擬仿真器間的同步性。

3.1.2 數(shù)?；旌想娐贩抡姝h(huán)境

選擇數(shù)?；旌闲盘栯娐贩抡姝h(huán)境過程中需要注意的問題是多方面的，在選擇數(shù)?；旌闲盘栯娐贩抡姝h(huán)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(shù)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(shù)?；旌闲盘柗抡姝h(huán)境的性能，而模擬仿真器決定著數(shù)?；旌闲盘柗抡姝h(huán)境的精度；(4)硬件描述語言在數(shù)?；旌闲盘柗抡姝h(huán)境中能夠對數(shù)字設計及模擬進行建模、描述等處理；(5)數(shù)?；旌闲盘栐O計主要包括模擬與數(shù)字電路部分，所以仿真環(huán)境要為界面良好的結果分析能力，例如快速糾錯能力、模擬以及數(shù)字波形顯示能力等。

3.1.3 數(shù)模混合電路仿真流程

圖1是目前絕大部分的仿真環(huán)境都會采用的數(shù)?；旌闲盘柗抡媪鞒?，在實際的應用中這種方式也是較為常見的。由圖1可知數(shù)?；旌闲盘栯娐贩抡娴木唧w步驟，第一步驟為設計輸入，這一步驟主要是將數(shù)字電路和模擬電路的行為級描述或者電路圖輸入到系統(tǒng)中。第二步驟為選擇仿真選項，在數(shù)模混合信號仿真環(huán)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(tǒng)的正常運行。第三步驟為增加接口元件，數(shù)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(lián)系，并且需要在模擬與數(shù)字域之間轉換信號。數(shù)字輸出端口表示從數(shù)字域到模擬域的信號轉換，數(shù)字輸入端口則表示從模擬域到數(shù)字域的信號轉換。第四步驟為建立測試向量，根據(jù)數(shù)?；旌闲盘栯娐吩O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(shù)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(shù)?；旌闲盘柗抡姝h(huán)境會應用到的仿真類型通常包括交流分析、瞬態(tài)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(yōu)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(shù)?；旌想娐贩抡媪鞒?/p>

3.2 數(shù)?；旌想娐返奈锢碓O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(shù)字電路版圖則往往是借助自動布局布線實現(xiàn)的。所以，數(shù)模混合電路在進行物理設計的過程中應將全定制實現(xiàn)的模擬電路版圖當作數(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，對整個數(shù)?；旌想娐返陌鎴D進行設計，并完成相關的物理檢查，確保版圖的物理實現(xiàn)和電路設計能夠同步。

數(shù)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(shù)?；旌闲酒倪吇蜻吔巧希?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(xiàn)了噪音過大情況時，應在版圖上用多層保護環(huán)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(xiàn)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(qū)域設計成矩形，如果這一步驟無法實現(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準單元區(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。

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2013-10-11

方惠蓉(1980- )，女，福建云霄人，漳州職業(yè)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。

TN41

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