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        基于數(shù)?;旌系募呻娐吩O(shè)計(jì)技術(shù)

        2014-07-01 23:27:31方惠蓉
        長春師范大學(xué)學(xué)報 2014年2期
        關(guān)鍵詞:數(shù)模數(shù)字電路電路設(shè)計(jì)

        方惠蓉

        (漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系,福建漳州 363000)

        基于數(shù)?;旌系募呻娐吩O(shè)計(jì)技術(shù)

        方惠蓉

        (漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系,福建漳州 363000)

        集成電路的應(yīng)用使得我國的微電子技術(shù)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(xué)技術(shù)的進(jìn)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?yīng)用的兩大主要領(lǐng)域,與此同時人們也在不斷擴(kuò)大數(shù)?;旌想娐返氖褂妙I(lǐng)域?;谶@一背景,本文講解了數(shù)?;旌想娐吩O(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

        從集成電路設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)的角度來講,我國的設(shè)計(jì)技術(shù)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(shè)計(jì)水平提高,我國的數(shù)?;旌想娐凡拍苡懈蟮倪M(jìn)步。數(shù)?;旌霞呻娐返恼麄€設(shè)計(jì)過程非常復(fù)雜,同時包括了獨(dú)立的數(shù)字與模擬設(shè)計(jì)流程。此外,在把數(shù)模電路進(jìn)行混合的過程中,也會有單獨(dú)的設(shè)計(jì)步驟來檢驗(yàn)相關(guān)器件的實(shí)用性。

        1 模擬電路設(shè)計(jì)基本流程

        模擬集成電路中,其自身系統(tǒng)的配置與技術(shù)量與數(shù)字集成電路相比存在很大的差距,并且整個設(shè)計(jì)過程對人力的依賴性也比較強(qiáng)[1]。在模擬電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中,電路參數(shù)的實(shí)現(xiàn)是一個十分關(guān)鍵的問題,所以設(shè)計(jì)人員要準(zhǔn)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(shè)計(jì)工作還是要依賴設(shè)計(jì)人員的手工制作。設(shè)計(jì)人員要按照仿真的結(jié)果來對電路的各個參數(shù)作出相應(yīng)的調(diào)整,這樣可以保證系統(tǒng)的安全性。當(dāng)仿真結(jié)果可以達(dá)到全部的設(shè)計(jì)指標(biāo)與功能的需求之后,才可以繼續(xù)下一步操作。電路的構(gòu)成與參數(shù)取決于電路設(shè)計(jì)與仿真的結(jié)果,但是當(dāng)這兩步流程完成之后并不可以直接交給工廠制作。設(shè)計(jì)人員應(yīng)對集成電路進(jìn)行相關(guān)的幾何描述,將設(shè)計(jì)電路用圖形描述的方式表達(dá)出來[2]。物理驗(yàn)證的最主要目的就是確定實(shí)際的設(shè)計(jì)是否與版圖電路圖達(dá)成了一致。在進(jìn)行物理驗(yàn)證時,要按照給定的設(shè)計(jì)規(guī)則來驗(yàn)證,這樣就可以確保版圖的設(shè)計(jì)和相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)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(jié)果可以滿足設(shè)計(jì)的需求,但是后仿真結(jié)果無法達(dá)到要求的情況也是十分常見的。當(dāng)后仿真的結(jié)果無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求時,就需要相應(yīng)地調(diào)整晶體管參數(shù),有時還要改變整個電路結(jié)構(gòu)。在對設(shè)計(jì)的性能有很高的要求時,就要對整個結(jié)構(gòu)作多次的仿真檢驗(yàn),當(dāng)仿真結(jié)果達(dá)到相應(yīng)的要求后才停止,以此來保證設(shè)計(jì)的高性能。

        2 數(shù)字電路設(shè)計(jì)基本流程

        EDA工具對數(shù)字電路設(shè)計(jì)的支持非常重要,而且絕大部分的數(shù)字電路設(shè)計(jì)都是半定制的。系統(tǒng)級設(shè)計(jì)通常都是針對系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jìn)行精密的設(shè)計(jì)。方框圖往往出現(xiàn)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜的設(shè)計(jì)中,但是當(dāng)設(shè)計(jì)的規(guī)模很大時,就應(yīng)該對其做行為建模,之后再借助仿真驗(yàn)證來確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)過程,在這個過程中為了實(shí)現(xiàn)代碼具有可綜合性,要注意完成時硬件的可實(shí)現(xiàn)性,之后對設(shè)計(jì)進(jìn)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(chǔ)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(xiàng)映射到門級網(wǎng)表上的過程叫做綜合,只有準(zhǔn)確地掌握芯片實(shí)際的工作環(huán)境及設(shè)計(jì)要點(diǎn)在約束文件中的規(guī)定,才能得到綜合的結(jié)果。在綜合的過程中,通過連線負(fù)載模型來計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)單元的延時,在注重實(shí)際工藝的同時也要忽略標(biāo)準(zhǔn)單元的具體位置,結(jié)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(biāo)函數(shù)的基礎(chǔ)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(shè)計(jì)更簡單地轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢碓O(shè)計(jì)。在進(jìn)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(dá)到最優(yōu)化。檢查版圖的設(shè)計(jì)規(guī)則、電學(xué)規(guī)則是結(jié)束布局布線后需要進(jìn)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(jìn)行仿真,檢查電路的合理性及工作狀況。

        3 數(shù)?;旌想娐吩O(shè)計(jì)流程

        數(shù)模電路進(jìn)行混合時通??梢苑譃閮纱蟛糠?,即數(shù)模混合電路的仿真與數(shù)?;旌想娐返奈锢碓O(shè)計(jì)。

        3.1 數(shù)?;旌想娐贩抡?/p>

        一直以來,數(shù)?;旌想娐返姆抡娑荚谧非髮?shí)現(xiàn)在所有層次上都達(dá)到協(xié)同,同時還要貫穿整個的數(shù)?;旌想娐吩O(shè)計(jì)[4]?,F(xiàn)今,隨著人們生產(chǎn)需求的不斷提高,數(shù)?;旌想娐吩谠O(shè)計(jì)過程中已經(jīng)不再是單純地對其進(jìn)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(jìn)行仿真,并借助信號轉(zhuǎn)換機(jī)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(xiàng)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(jié)合的方式來創(chuàng)造數(shù)?;旌戏抡姝h(huán)境,在整合之后由主控進(jìn)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(dú)立運(yùn)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(jìn)行處理,其中,模擬電路中需要利用極小的時間步長來進(jìn)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(jìn)行跟蹤。因此,主控進(jìn)程的主要功能就是協(xié)調(diào)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(yīng)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(jìn)制的方式;(2)檢查關(guān)鍵庫模型的實(shí)用性,并利用相關(guān)器材對模型的精度和性能進(jìn)行測驗(yàn)[5];(3)仿真建立時間、時鐘頻率、設(shè)計(jì)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?qū)?shù)字設(shè)計(jì)及模擬進(jìn)行建模、描述等處理;(5)數(shù)?;旌闲盘栐O(shè)計(jì)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(jié)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)?;旌想娐贩抡媪鞒?/p>

        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(shí)際的應(yīng)用中這種方式也是較為常見的。由圖1可知數(shù)模混合信號電路仿真的具體步驟,第一步驟為設(shè)計(jì)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(xiàng),在數(shù)?;旌闲盘柗抡姝h(huán)境存在著許多各種各樣的仿真器選項(xiàng),因此,這一步驟的目的就是要選出能夠滿足設(shè)計(jì)要求的選項(xiàng),保證整個系統(tǒng)的正常運(yùn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換,數(shù)字輸入端口則表示從模擬域到數(shù)字域的信號轉(zhuǎn)換。第四步驟為建立測試向量,根據(jù)數(shù)?;旌闲盘栯娐吩O(shè)計(jì)的相關(guān)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(shè)計(jì)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(yīng)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(zhuǎn)換分析等多種,因此設(shè)計(jì)人員要對這些類型有深入的認(rèn)識,并從中選出最適合的類型。第六步驟為運(yùn)行仿真,在這一步中要建立運(yùn)行測試向量,同時還要選出最優(yōu)的仿真選項(xiàng),最后還要做仿真驗(yàn)證。第七步驟為分析結(jié)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(dá)到設(shè)計(jì)功能的要求。

        圖1 數(shù)?;旌想娐贩抡媪鞒?/p>

        3.2 數(shù)模混合電路的物理設(shè)計(jì)

        模擬電路一般都是采用全定制方法來完成手工的版圖設(shè)計(jì)的,但是數(shù)字電路版圖則往往是借助自動布局布線實(shí)現(xiàn)的。所以,數(shù)?;旌想娐吩谶M(jìn)行物理設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)將全定制實(shí)現(xiàn)的模擬電路版圖當(dāng)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(zhǔn)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)模混合電路的版圖進(jìn)行設(shè)計(jì),并完成相關(guān)的物理檢查,確保版圖的物理實(shí)現(xiàn)和電路設(shè)計(jì)能夠同步。

        數(shù)?;旌想娐肺锢碓O(shè)計(jì)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?;(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(yuǎn),將連線安排到最短為最佳;(3)當(dāng)模擬模塊出現(xiàn)了噪音過大情況時,應(yīng)在版圖上用多層保護(hù)環(huán)和外界隔離開來,并在放置模塊時,遠(yuǎn)離芯片上的其它敏感電路;(4)當(dāng)模擬模塊出現(xiàn)耗能超出合理范圍大時,應(yīng)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(yīng)盡量將剩余的基本單元區(qū)域設(shè)計(jì)成矩形,如果這一步驟無法實(shí)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(biāo)準(zhǔn)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。

        [1]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].4版.北京:高等教育出版社,2009:332-335.

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        2013-10-11

        方惠蓉(1980- ),女,福建云霄人,漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系講師,從事電子信息處理、電路設(shè)計(jì)研究。

        TN41

        A

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

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