基于数模混合的集成电路设计技术

方惠蓉

(漳州职业技术学院电子工程系，福建漳州 363000)

基于数模混合的集成电路设计技术

方惠蓉

(漳州职业技术学院电子工程系，福建漳州 363000)

集成电路的应用使得我国的微电子技术水平不断提高，并在我国的信息产业发展中扮演着十分重要的角色。集成电路可以分成三大类：数字电路、模拟电路与数模混合电路。科学技术的进步和人们生活生产需求的不断提高为数字模块逐渐与模拟模块内嵌在同一个芯片上提供了很大的动力。目前通讯与电子产业是数模混合电路应用的两大主要领域，与此同时人们也在不断扩大数模混合电路的使用领域。基于这一背景，本文讲解了数模混合电路设计的主要流程，以此为之后的研究工作提供借鉴。

数模混合电路；芯片；设计

从集成电路设计产业的角度来讲，我国的设计技术水平与工艺发展还有着一定的差距。模拟集成电路的发展速度十分缓慢，造成了模拟集成电路的发展与数字集成电路之间的差距越来越大。只有将模拟电路的设计水平提高，我国的数模混合电路才能有更大的进步。数模混合集成电路的整个设计过程非常复杂，同时包括了独立的数字与模拟设计流程。此外，在把数模电路进行混合的过程中，也会有单独的设计步骤来检验相关器件的实用性。

1 模拟电路设计基本流程

模拟集成电路中，其自身系统的配置与技术量与数字集成电路相比存在很大的差距，并且整个设计过程对人力的依赖性也比较强[1]。在模拟电路系统设计的过程中，电路参数的实现是一个十分关键的问题，所以设计人员要准确地定义系统与子系统的功能，同时掌握系统的信噪比、时序以及面积等多个性能的参数范围。由于现今我国仍然没有十分完善的软件，因此绝大部分的设计工作还是要依赖设计人员的手工制作。设计人员要按照仿真的结果来对电路的各个参数作出相应的调整，这样可以保证系统的安全性。当仿真结果可以达到全部的设计指标与功能的需求之后，才可以继续下一步操作。电路的构成与参数取决于电路设计与仿真的结果，但是当这两步流程完成之后并不可以直接交给工厂制作。设计人员应对集成电路进行相关的几何描述，将设计电路用图形描述的方式表达出来[2]。物理验证的最主要目的就是确定实际的设计是否与版图电路图达成了一致。在进行物理验证时，要按照给定的设计规则来验证，这样就可以确保版图的设计和相应的电路设计一致。与数字集成电路相比，模拟集成电路与寄生参数之间的联系更为紧密，尽管前仿真结果可以满足设计的需求，但是后仿真结果无法达到要求的情况也是十分常见的。当后仿真的结果无法达到设计要求时，就需要相应地调整晶体管参数，有时还要改变整个电路结构。在对设计的性能有很高的要求时，就要对整个结构作多次的仿真检验，当仿真结果达到相应的要求后才停止，以此来保证设计的高性能。

2 数字电路设计基本流程

EDA工具对数字电路设计的支持非常重要，而且绝大部分的数字电路设计都是半定制的。系统级设计通常都是针对系统的体系结构进行的，需要将系统按照不同的模块划分开来，还要对整体的时序进行精密的设计。方框图往往出现在系统结构并不复杂的设计中，但是当设计的规模很大时，就应该对其做行为建模，之后再借助仿真验证来确保系统设计的正确性[3]。通过寄存器传输级的Verilog和VHDL硬件描述语言描述功能来处理每个模块的过程就是RTL级设计过程，在这个过程中为了实现代码具有可综合性，要注意完成时硬件的可实现性，之后对设计进行仿真的过程是为了确保RTL的描述功能在时间上和逻辑上都不存在问题。在RTL级仿真基础上加上门延时即为门级仿真，具体含义为参照综合电路布局，再一次仿真电路中的延时信息。把RTL级描述的代码根据约束文件中的注意事项映射到门级网表上的过程叫做综合，只有准确地掌握芯片实际的工作环境及设计要点在约束文件中的规定，才能得到综合的结果。在综合的过程中，通过连线负载模型来计算标准单元的延时，在注重实际工艺的同时也要忽略标准单元的具体位置，结果也必定存在一定程度的误差。经过上述步骤之后，即可对门级网表采取自动布局布线的操作，具体步骤是：在满足目标函数的基础上，在芯片中正确地放置模块，初始布局和迭代改善是布局布线的两个主要的内容，目的在于使逻辑设计更简单地转变为物理设计。在进行布局布线的过程中要注意使芯片的面积尽量最小化，同时缩短连线的总长度，保证电性能达到最优化。检查版图的设计规则、电学规则是结束布局布线后需要进行的步骤类似，在提取因自动布局布线产生的寄生参数后进行仿真，检查电路的合理性及工作状况。

3 数模混合电路设计流程

数模电路进行混合时通常可以分为两大部分，即数模混合电路的仿真与数模混合电路的物理设计。

3.1 数模混合电路仿真

一直以来，数模混合电路的仿真都在追求实现在所有层次上都达到协同，同时还要贯穿整个的数模混合电路设计[4]。现今，随着人们生产需求的不断提高，数模混合电路在设计过程中已经不再是单纯地对其进行数字电路或模拟电路单方面的仿真，而是对两者同时进行仿真，并借助信号转换机制来为两者的仿真方式的一致性提供保证。此外，模拟仿真器是决定数模混合电路仿真的整体速度与精度的重要因素。

3.1.1 数模混合电路仿真元素

如何处理数字仿真及模拟仿真之间的接口是一项十分重要的问题，只有解决了这一问题，才能为数模混合仿真环境提供保证。一般都是利用将模拟跟数字仿真器结合的方式来创造数模混合仿真环境，在整合之后由主控进程来控制二者之间的数据传输，但二者仍然发挥各自的作用，独立运行。连续信号和离散信号分别由模拟电路和数字电路进行处理，其中，模拟电路中需要利用极小的时间步长来进行仿真过程，而数字电路中则仅需对电路中状态的改变进行跟踪。因此，主控进程的主要功能就是协调数字和模拟仿真器间的同步性。

3.1.2 数模混合电路仿真环境

选择数模混合信号电路仿真环境过程中需要注意的问题是多方面的，在选择数模混合信号电路仿真环境时，应注意的问题主要包括：(1)在接口模型的选择上，与模拟仿真器不同的是数字仿真器在信号表征上采用二进制的方式；(2)检查关键库模型的实用性，并利用相关器材对模型的精度和性能进行测验[5]；(3)仿真建立时间、时钟频率、设计容量等多方面的因素决定着数模混合信号仿真环境的性能，而模拟仿真器决定着数模混合信号仿真环境的精度；(4)硬件描述语言在数模混合信号仿真环境中能够对数字设计及模拟进行建模、描述等处理；(5)数模混合信号设计主要包括模拟与数字电路部分，所以仿真环境要为界面良好的结果分析能力，例如快速纠错能力、模拟以及数字波形显示能力等。

3.1.3 数模混合电路仿真流程

图1是目前绝大部分的仿真环境都会采用的数模混合信号仿真流程，在实际的应用中这种方式也是较为常见的。由图1可知数模混合信号电路仿真的具体步骤，第一步骤为设计输入，这一步骤主要是将数字电路和模拟电路的行为级描述或者电路图输入到系统中。第二步骤为选择仿真选项，在数模混合信号仿真环境存在着许多各种各样的仿真器选项，因此，这一步骤的目的就是要选出能够满足设计要求的选项，保证整个系统的正常运行。第三步骤为增加接口元件，数字部分的输入或输出端口与接口元件之间存在着十分紧密的联系，并且需要在模拟与数字域之间转换信号。数字输出端口表示从数字域到模拟域的信号转换，数字输入端口则表示从模拟域到数字域的信号转换。第四步骤为建立测试向量，根据数模混合信号电路设计的相关要求建立向量，模拟部分测试输入由电压源保证，数字部分测试输入则需要借助Verilog来建立[6]。第五步骤为分析类型的选择，分析类型对整个设计来说十分重要，因此要选出最合适的类型。绝大部分的数模混合信号仿真环境会应用到的仿真类型通常包括交流分析、瞬态分析、直流分析以及周期性功能转换分析等多种，因此设计人员要对这些类型有深入的认识，并从中选出最适合的类型。第六步骤为运行仿真，在这一步中要建立运行测试向量，同时还要选出最优的仿真选项，最后还要做仿真验证。第七步骤为分析结果，也就是深入研究输出波形和报告文件，并判断其是否可以达到设计功能的要求。

图1 数模混合电路仿真流程

3.2 数模混合电路的物理设计

模拟电路一般都是采用全定制方法来完成手工的版图设计的，但是数字电路版图则往往是借助自动布局布线实现的。所以，数模混合电路在进行物理设计的过程中应将全定制实现的模拟电路版图当作数字电路的模块之一，从中提取出有用的物理信息。这样一来就可以使数字后端工具在布局布线中准确地放置模拟电路模块与连接数模接口连线。除此之外，还要根据数字电路的后端流程，对整个数模混合电路的版图进行设计，并完成相关的物理检查，确保版图的物理实现和电路设计能够同步。

数模混合电路物理设计过程中，要考虑到模拟电路模块布局的问题主要包括：(1)模拟模块一般要放置在数模混合芯片的边或边角上；(2)将模拟模块尽可能地安置在输入输出的管脚位置的周围，不宜太远，将连线安排到最短为最佳；(3)当模拟模块出现了噪音过大情况时，应在版图上用多层保护环和外界隔离开来，并在放置模块时，远离芯片上的其它敏感电路；(4)当模拟模块出现耗能超出合理范围大时，应该把该模块放置在离电源较近的位置，这样就能有效避免不必要的能源损耗；(5)放置模拟模块时，应尽量将剩余的基本单元区域设计成矩形，如果这一步骤无法实现，就使其最大限度的接近矩形，这样就能够减少多边形或者长宽不一的标准单元区域的出现，从而减少了对面积的利用率和芯片的布通率的不利影响；(6)尽可能地不让模拟模块对重要路径的走线产生不利的作用。

[1]阎石.数字电子技术基础[M].4版.北京:高等教育出版社,2009:332-335.

[2]俞俊.数模混合SoC/IP—基于混沌的真随机数发生器的设计与实现[D].杭州:浙江大学,2004.

[3]杨之廉,申明.超大规模集成电路设计方法学导论[M].2版.北京:清华大学出版社,1999.

[4]张红莉.模拟集成电路设计方法学及模拟IP设计技术的研究[D].合肥:合肥工业大学,2005.

[5]居滋培,濮钰麒,于林丽,等.热电元件性能测试系统的电路设计[J].仪表技术与传感器,2006(12):104-105.

[6]鲁斌.数模混合集成电路设计技术研究[D].合肥:合肥工业大学,2006.

2013-10-11

方惠蓉(1980- )，女，福建云霄人，漳州职业技术学院电子工程系讲师，从事电子信息处理、电路设计研究。

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