数字模拟混合集成电路的设计分析

2022-07-08李若飞

通信电源技术 2022年4期

李若飞

（长沙韶光半导体有限公司沈阳分公司，辽宁沈阳 110031）

0 引言

虽然我国可以熟练运用14纳米级完成产品工艺技术，达到世界先进水平，但是设计工作依然还有很大的提升空间，需要开展进一步研究，以提升设计及制造水平[1]。数字模拟混合集成电路的发展应用过程中，存在模拟集成电路发展缓慢的问题，尤其是与数字集成电路相比，有很大差距。因此，必须深入研究提升模拟集成电路设计水平，推动我国数字模拟混合电路技术发展。

1 集成电路设计过程中的抽象层次划分及其功能

在集成电路设计过程中必须考虑电路的设计和仿真效果，一般往往设置成“从上到下”的抽象层次类别，即系统级别、RTL级、门级、开关级。

（1）系统级别。这一抽象级别常被应用于设计中的两个方面，一个是应用在仿真和验证系统中，另一个则是在设计中通过这一级别概念来确定一些特定结构的实现标准。

（2）RTL级。这一层次是利用一些线路及寄存器等来进行电路功能描述的层次。常见的描述方式有纯逻辑描述和结构描述两种。其中纯逻辑描述应用范围更广。

（3）门级。门级是利用逻辑门结构化连接的方式来实现对电路布尔功能关系描述的层次，常见门级包括如NANDNOR、XOR等。

（4）开关级。开关级是用来进行晶体管连接情况描述的层级，常被用在电路信号路径时序信息验证过程中[2]。

2 数字模拟混合集成电路设计的思路

随着科学技术的发展，集成电路的设计及制造技术也逐步进入了纳米时代，这个过程中最初的模拟电路和数字电路已经不能满足纳米时代对电路设计和制造的基本要求，需要进一步优化和提升。最原始、最传统的自下而上的模拟电路设计思路已不能满足需求，在向着从上到下的设计思路转变。其中模拟信号的基本切换是以晶体管级仿真为基础，数字信号切换是以行为级为基本应用条件。同时电路图可以控制模拟电路设计模块，硬件语言则可以控制数字电路设计模块。为了提升数字模拟混合电力设计的效果，必须引入最新的设计理念、流程及设计方法。在进行数字模拟混合信号集成电路设计、制造时，可以通过一个基板来承担模拟和数字功能[3]。而模拟部分与数字部分间信息的相互传递过程，则可以通过各种数字或模拟信号转换接口来实现。具体的数字模拟混合信号电路结构如图1所示。

图1 数字模拟混合信号电路结构图

实际电路结构设计时，最为理想的状态就是保证仿真环境中对应的集成模拟及数字算法的一致性，并通过仿真器来实现对所有电路的描述。为了避免不同计算方法转换时引发的错误发生，需要利用混合信号仿真器来实现对不同算法的统一过程。一般而言，在对应的条件发生变化时，对应的变化便可以引发数字仿真器动作，这时模拟仿真器是通过动态时间步长来进行控制。实际工作中，还可以通过建立混合信号原理图的方式来进行管控，在创建原理图以后再进一步形成分层网表文件，并在仿真环境中进行验证。模拟电路模型与数字电路模型不同，二者的差异性很大，实际应用时在同一个模型书库建立中遇到了包括投资成本、技术难度大等多项阻力。因此，仍然处于理论研究的阶段，并未实现实践应用[4]。目前往往都通过帧耦合的方式来实现模拟和数字混合信号仿真模拟及数字验证。不同的先进EDA制造商都会利用不同的同步机制方式来实现对模拟电路仿真器及数字电路仿真器的整合，将二者放置到同一仿真环境中。同时，为了保证二者数据可以正常交换应用，必须将模型和数据放置到同一数据库内。

3 数字模拟混合集成电路设计流程

3.1 模拟电路设计流程

不论是数字集成电路还是模拟集成电路，设计效果都会受到设计流程的影响，尤其是对于模拟集成电路而言，必须要重视模拟电路设计流程及人员管理。要保证设计的有效性，就必须保证设计的有效性、齐全性。因此，必须保证设计流程环节的先后顺序符合要求，环节齐全，在这个过程中就必须重视设计人员管理。模拟电路设计过程中，电路中设计参数的选择和设计是重点。因此，设计者必须重视对应参数的选择和管控。一方面需要明确各部分主电路及分电路起到的主要作用，做好各线路的功能划分；另一方面还要做好线路运行过程中的信噪比、时序等关键参数设计选择。

目前，我国对应的电路设计软件还不能满足电路设计需求，所以实际电路设计过程一般都依靠设计人员人工设计。为了保证电路的稳定性，实际模拟电路设计时需要考虑仿真环境条件的结果来进行具体的参数调节。如果仿真结果可以达到要求，就可以进行下一步的设计工作。电路的参数选择和电路设计及仿真结果有很大的关系，在设计工作及仿真验证完成以后，并不能直接将工作交给生产厂商进行制造，而是需要提前按照设计情况来画出可以表示电路结构的电路几何图形，并按照验证规则和要求来进行设计与线路图的一致性验证[5]。这里要注意的一点是，必须要关注模拟集成电路设计和寄生参数选择的关联。很多时候即使仿真结果符合要求，也必须调整参数或调整电路基本结构，以保证电路设计的有效性。同时对于电路性能要求高的情况而言，还需要通过进行多次仿真测试的方式来验证整个电路结构，直至电路结构符合要求。

3.2 数字电路设计流程

电子设计自动化（Electronic Design Automation，EDA）是设计数字电路过程中必不可少的部分，大部分的数字电路设计过程都是靠人工和自动化两个方面结果来完成的。系统设计过程中往往都需要依据系统的具体架构和模块来进行设计。因此，实际应用中需要将系统进行模块划分，同时应用中还需要充分考虑具体的模块设计时间顺序。实际设计中需要根据设计框架图来进行设计，对于设计规模较大的情况而言，还需要建立对应的模型进行仿真检查，以确保设计线路的合理性。在设计过程中，通过硬件描述语言来对电路模块进行处理的过程，就是RTL抽象层次设计过程，应用时还可以保证在硬件上的可应用性。设计和仿真能够保证RTL描述功能中无时序和逻辑问题出现，还可以把门延迟运用到RTL电平仿真中来完成门级仿真，实际运用中还需要保证约束文件内部对应记录的芯片工况和设计标准的正确性，进而保证合成结果。合成过程中，还应该根据连线负载模型来获得标准单位延迟，完成以上操作结果以后，在门级网表上自动布线，布局和布线过程中要注意控制芯片面积及布线总长，以保证电气性能。

3.3 数字模拟混合电路的具体内容

3.3.1 数字模拟混合电路仿真设计

因为电路设计过程中会有很多不同的抽象层次设计，所以要求数字模拟混合电路仿真设计时必须考虑抽象层次问题，实际的电路结构设计必须能够实现对所有混合电路抽象层次的仿真。虽然在数字集成电路及模拟集成电路的设计工作开展时，数字模拟电路已经可以在系统级、RTL级、门级和开关晶体管级等抽象层次进行仿真验证过程。但是因为模拟集成电路设计技术效果不够先进，采用的设计手段和工具也存在很多的局限性，使得模拟电路系统的兼容性不佳，尤其是与数字集成电路相比较，依然存在很大的差距[6]。目前，数字模拟混合电路仿真都是分别在各抽象层次上进行数字电路与模拟电路的仿真，然后利用同步信号转换的方式来对数字电路、模拟电路的仿真结果进行分析。其中，数字模拟混合电路仿真的效率和结果准确性取决于模拟电路仿真过程。

3.3.2 数字模拟混合电路物理设计

实际数字模拟混合电路设计中并不能完全实现自动化。目前数字电路基本可以通过自动化工艺来实现，但是模拟电路设计中往往更多需要人员来参与设计。因此，数字模拟混合集成电路的物理设计过程中需要在数字电路模块中安排模拟电路，并在里面获得对应的物理信息，方便后期电路设计工作的开展。实际工作中，可以利用电路设计自动化工具来进行对应的模拟电路模块布局。最后，要保证数字模拟混合电路设计和物理情况的相符性，需要依据数字电路后端处理来进行数模混合电路布局设计及物理验证过程。具体的数模混合电路物理结构设计过程中，还可以使用下面的方法来进行模拟电路模块设计安排。一般模拟电路模块处于数字模拟混合芯片的边角位置，其设计应该靠近I/O位置，这样设计的最终目的就是控制减少布线长度。而遇到模拟电路模块噪声问题时，还需要利用多层保护环的方式来进行隔离，同时注意电路模块与其他敏感电路的距离要足够长，距离噪声源要远，避免模块相互间及噪声对其造成的干扰和影响。