数模混合芯片的验证

摘 要 数模混合芯片是电子市场上增长最快的部分之一。随着芯片的规模越来越大，整个芯片的验证难度增加，导致验证的不完整性和覆盖率的不确定性。在小规模的芯片验证中，模拟或数字模块，我们都假设它们是已经充分验证过的，对于顶层来说，只关心模块的输入输出信号，而不关心内部的任何信号。对于大规模数模混合芯片来说，由于它包含多个反馈通路和更复杂的模拟数字交互行为，传统的黑盒测试模式已经不能满足验证的要求。还有一个是电路的抽象层次问题，一个能够支持各种抽象层次的验证平台，对于验证效率大有帮助。在这篇文章中，我们将会涉及到数模混合芯片验证的难点，验证模型的编写，混合接口的連接等问题，提出解决大型数模混合芯片验证的可能方法。

【关键词】数模混合芯片 验证 建模 混合接口

1 数模混合芯片验证的难点

集成电路芯片验证的工作量根据芯片复杂度的增加指数级增长。对于数模混合电路芯片来说，任务变得更为复杂，包括仿真器的速度问题，数字和模拟电路的接口问题，模拟电路的建模问题等等.

数字电路的验证已经有了规则的方法学：验证计划，有约束的随机激励测试，验证平台的自动化，验证插入检测和验证覆盖率测试。模拟电路一直是使用传统的对于某个关注点的特定测试，验证的计划和覆盖率测试很少被用到。

一般来说，模拟电路的验证仍然以晶体管级模拟作为流片的标准，SPICE提供了高精确度，但是它在顶层仿真中实在太慢，除非非常必要，否则不建议在顶层仿真中使用SPICE仿真。为了提高仿真速度，许多混合信号验证都需要用到模拟行为的建模，这样可以大大提高仿真速度。建模语言可以使用，verilog-ams，Verilog-a，vhdl-AMS或systemverilog等等。

对于模拟电路的建模，可以分为3种，性能模型需要精确的描述电路的行为，功能模型只需要细化到能够描述电路的正确功能就可以了，还有一种模型更为复杂，如果工艺不够成熟的话，还可以在模型中添加工艺参数来更加细致的对电路进行仿真。

2 数模混合芯片验证模型

模拟电路的行为模型，主要是对模拟电路的行为作出数学抽象，这种抽象可以分为几个层次，下面我们可以以放大器作为例子。

最简单的功能模型：

A：放大倍数。

Input vin_p， vin_n

Output vout

-ε

更详细一点，增加一些参数：

输入电阻：Ri

输出电阻：Ro

信号源内阻：Rs

负载电阻：Rl

-ε

Vi = （vin_p-vin_n） * Ri/（Rs+Ri）

再详细一些的模型，我们需要增加更多的参数：

放大倍数： gain

频率单位增益： freq_unitygain

输入电阻： rin

输入偏移：vin_offset

电流偏置：ibias

转换速度：slew_rate

输出电阻：rout

输出限制电压：vsoft

输入端电容：c1

跨导：gm_nom

最大电流：iin_max

输入端内阻：r1

最大输入电压： vmax_in

源端电阻：rsrc

输出电容：cout

以下模型摘自cadence公司软件自带代码。篇幅所限，有兴趣的读者可以在$cadence_install/tools.lnx86/dfII/samples/artist/spectreHDL/Verilog-A/analog目录下自行阅读完整代码。

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

从上面的例子我们可以看出，模拟电路的建模，根据模型的细致程度，分为多个层次。需要花费的时间，也从几个小时，到几天不等。如果还要加入工艺参数，那将会是一件更加复杂的工作。

3 数模混合芯片接口

对数字电路来说，仿真器需要能够分辨0，1，X和Z。对于模拟电路来说，仿真器需要能识别连续的值。在2种电路的接口处需要有连接模块，这种模块能够把数字信号翻译成相应的模拟电压值，并且能够把模拟电压值翻译成0，1，X和Z中的一个。这种双向的连接模块在验证仿真的时候是自动插入数模接口的，设计验证人员需要做的就是选择正确的连接模块规则。

4 结论

数模混合信号的SOC的验证是一个复杂的任务。当集成电路的复杂度增加的时候，旧的顶层黑盒测试已经不能够满足需要，数字和模拟之间复杂的交互导致了验证难度的增加。我们开始使用建模和混合仿真来解决这个问题，这样不仅能够提高仿真速度，而且能够提高验证覆盖率。

参考文献

[1]Chen J，Henrie M，Nizic M，et al.Mixed-signal methodology guide[J].2012.

[2]Delorme N.Mixed-signal verification challenges[C]// Conference on Ph.d. Research in Microelectronics and Electronics.2014：1-1.

[3]Chern J H.Challenges of analog/mixed-signal SoC design and verification[C]// International Symposium on Physical Design.ACM， 2005：102-102.

作者简介

吕珣（1980-），女，四川省泸州市人。现为恩智浦（中国）管理有限公司工程师。研究方向为集成电路。

作者单位

恩智浦（中国）管理有限公司 上海市 200070