胡子陽

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

信號分析在集成電路國產(chǎn)化替代中的應用

胡子陽

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

以集成電路為代表的各種電子元器件，廣泛應用于計算機、電力、金融、通信設備等公共設施和航空、航天、電子、船舶、兵器、核工業(yè)等各種武器裝備和軍事設備上[1]。我國電子設備尤其是軍用電子設備選用進口電子元器件主要面臨停產(chǎn)斷檔、出口限制與禁運、存在安全隱患、假冒偽劣以及篩選測試困難等多種問題。因此，電子元器件國產(chǎn)化具有重大的現(xiàn)實和軍事意義[2]。在元器件國產(chǎn)化推進過程中，由于集成電路的設計和工藝不同，在替代中會出現(xiàn)諸多信號匹配問題，此類問題如果通過細致的信號分析，可以避免大多數(shù)的故障問題發(fā)生。以兩個案例為基礎，闡述信號分析在集成電路國產(chǎn)化替代中的重要作用。

國產(chǎn)化；元器件；信號分析；電路系統(tǒng)；可靠性；匹配

1 引言

電子元器件是組成電子系統(tǒng)的最小單元，電子元器件的選用與管理是電子系統(tǒng)設計中最關(guān)鍵的一步，也是系統(tǒng)質(zhì)量和可靠性的基礎。目前我國大部分高端集成電路需要從歐美發(fā)達國家進口。據(jù)不完全統(tǒng)計，2013年全球半導體市場規(guī)模3200億美元，而全球54%的集成電路出口到中國。國外壟斷高端電子元器件不僅直接阻礙我國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展，而且國外電子元器件面臨停產(chǎn)斷檔、限制出口與禁運、存在安全隱患以及假冒偽劣等問題，嚴重影響和制約我國國民經(jīng)濟和武器裝備的發(fā)展，甚至威脅國家安全。因此，電子元器件國產(chǎn)化具有重大的現(xiàn)實和軍事意義[3]。

在元器件國產(chǎn)化推進過程中，由于集成電路的設計和工藝不同，在替代中會出現(xiàn)諸多信號匹配問題。此類問題大部分發(fā)生在元器件之間相互配合的握手是否充分上。在元器件國產(chǎn)化替代過程中，通過細致的信號分析，可以起到對電路板級進行增進了解的作用，并能避免大多數(shù)故障問題的發(fā)生，在許多時候還能夠提高整機系統(tǒng)的惡劣環(huán)境耐受能力。

2 信號分析原理

對于高速電路板，往往要進行信號完整性分析，以便分辨信號間的匹配關(guān)系。對于低速電路板，在實際工作中，尤其是國產(chǎn)化替代中，也出現(xiàn)了很多信號匹配問題，此類問題也可以通過信號完整性分析的方法，對電路握手信號進行詳細分析，并給出最佳配合方案，以及配合后最小冗余度產(chǎn)生在什么地方等信息，以便對極限條件下的電路使用情況進行監(jiān)測。

對于元器件的信號而言，一般通過兩類參數(shù)進行約束。一類是直流參數(shù)，規(guī)定了信號配合的電平關(guān)系，一類是交流參數(shù)，用于對信號的建立時間，保持時間和延遲等參數(shù)進行約束。如果兩只集成電路進行配合使用，一定要對其直流參數(shù)和交流參數(shù)進行充分約束，這樣才能保證兩只集成電路的配合能夠達到最佳狀態(tài)[4]。

3 案例1

國產(chǎn)某型號80186產(chǎn)品，與之相配合工作的是一款FPGA芯片。由于80186屬于早期設計品種，因此其接口電路為異步時序電路。而FPGA設計人員在設計的時候，是依照同步電路的思想，以CLKOUT端口為同步時鐘，在CLKOUT的上升沿檢測是否WR信號為低電平，一旦發(fā)現(xiàn)低電平，就要從80186的地址總線和數(shù)據(jù)總線上取得數(shù)據(jù)。原本這個設計，在使用進口元器件的時候，沒有出現(xiàn)問題，因為進口元器件生產(chǎn)過程已經(jīng)固化了，而且其輸出信號如圖1所示，雖然時序較緊張，但是由于進口元器件在WR的下降沿，其地址總線和數(shù)據(jù)總線也同時穩(wěn)定的發(fā)生變化，因此在CLKOUT的上升沿，能夠采到有效數(shù)據(jù)。但是在國產(chǎn)化替代中，由于對用戶需求不了解，所以在國產(chǎn)80186手冊里面，沒有對輸出進行有效約束，這就導致在低溫條件下（如圖2所示），在WR的下降沿、地址總線和數(shù)據(jù)總線在發(fā)生跳變的時間點，CLKOUT的上升沿同步時鐘到來，此時FPGA將采進一個變化的數(shù)據(jù)，而不是預期的數(shù)據(jù)，這樣就導致后面出現(xiàn)了運算錯誤。

圖1 采用進口80186的時序圖

圖2 采用國產(chǎn)80186的時序圖

從原理上講，80186的設計約束中，其端口約束都是異步時序約束。對于WR信號，大多數(shù)時候應用了WR的上升沿來取得地址總線和數(shù)據(jù)總線的信號，此時信號非常穩(wěn)定，有足夠的建立時間和保持時間，因此該80186在其它國產(chǎn)化替代中并沒有出現(xiàn)問題[5]。在這個設計中，由于設計人員在FPGA端進行了同步操作，而導致WR的下降沿到CLKOUT的上升沿時序緊張，再加上國產(chǎn)化的芯片在WR的下降沿地址和數(shù)據(jù)總線有一個緩慢變化過程，而這個緩慢變化的過程正好加劇了時序緊張的程度，從而導致在特定溫度（低溫）下，電路板級反應出錯。

由于原理確認清晰，其改正方法也很簡單，就是在FPGA中，重新規(guī)定在WR低電平后第二個CLKOUT的上升沿再實現(xiàn)同步采集地址和數(shù)據(jù)總線。此時信號建立已經(jīng)穩(wěn)定，并且不會出錯。而且更改后的設計，能夠提供更高的穩(wěn)定性。

4 案例2

為了能夠從電路設計級評估系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在國產(chǎn)化替代中，推薦采用事前評估的方式，根據(jù)電路連接關(guān)系來評估電路對信號匹配的要求。表1是國產(chǎn)化80196和PSD4235配合的關(guān)系。在這個設計中，由于采用了國產(chǎn)化的器件替代進口元器件，因此需要從理論上分析替代前后電路板的信號有沒有變化，是否會對可能的惡劣環(huán)境有足夠的適應性。哪個配合信號是系統(tǒng)的最薄弱環(huán)節(jié)，其信號值在最差工作條件下還有多少冗余量以保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。從接口關(guān)系上看，在直流參數(shù)和交流參數(shù)兩個方面，兩款器件都會相互影響，尤其是雙向的地址/數(shù)據(jù)總線相互連接，更是需要嚴格配合才能正確工作。

表1 80196和PSD4235的信號連接關(guān)系和交直流參數(shù)關(guān)系

表2是直流電平匹配分析，從這一列表可以看出，當80196進行了信號輸出時，按規(guī)定應該低于0.45V是低電平，而高于4.3V算是高電平。對于PSD4235的輸入來講，其收到0.45V的電平，低于最低輸入電平0.8V，并且有很好的冗余度，因此在低電平方面信號配合很好，沒有問題。高電平方面，當80196在最差條件即使輸出了4.3V的電平，對于PSD4235的2.0V認為是輸入高電平的輸入來講，也是有很大的冗余度。所以本設計的連接關(guān)系在直流配合方面沒有問題。

交流方面的配合關(guān)系見表3和表4，一個是PSD4235對80196的要求部分，這部分的冗余量最差條件時達到32ns，另一個是80196對PSD4235的要求部分，這部分的冗余量最差條件是0ns，發(fā)生在讀保持時間上，這個冗余度就不足。

表2 部分直流電平匹配分析

表3 部分交流時序匹配分析（PSD4235需求部分）

表4 部分交流時序匹配分析（80196需求部分）

為了確認讀保持時間冗余度的實際數(shù)值，對PSD4235做了實際測試。測試發(fā)現(xiàn)雖然手冊上面控制到0ns，但是實際上PSD4235的CLKOUT上有半個周期時間，大約是45ns時間，其數(shù)據(jù)總線仍然有效?；谶@樣一個實測數(shù)值，在PSD4235的考核里面，把原來讀保持時間的0ns手冊值改到了30ns，這樣就相當于從PSD4235的考核端，建立了一個30ns的冗余度，從而保證經(jīng)過篩選的芯片，能夠很好的進行工作配合。

從整體上看，最終的冗余度仍然是讀保持時間，最終控制到了30ns。這個配置完成后，由于在兩款集成電路配合中，沒有引入其它集成電路，所以可以保證這兩款集成電路能夠處于安全的工作狀態(tài)。最終通過電路板的布局分析，認為電路配合冗余量達到25ns，能夠在控制溫度之內(nèi)保證工作。并能夠承受較高的極限工作環(huán)境，電路配合工作的參數(shù)控制合理，可以保證產(chǎn)品的批次性質(zhì)量[7]。

5 結(jié)束語

元器件的參數(shù)受工藝影響在一定范圍內(nèi)波動，因此各個批次之間的參數(shù)不完全相同，甚至存在較大差異。一般情況下，無論是進行國產(chǎn)化替代還是進行新的電路設計，信號之間的配合關(guān)系一定要進行實際考慮。只有把元器件之間的信號配合和冗余度做到最大，才能保證電路板的質(zhì)量、壽命，以及在極端條件下仍能正常工作[8]。

元器件國產(chǎn)化是大勢所趨，在進行國產(chǎn)化替代過程中，一定要準確分析元器件之間的信號配合關(guān)系，并保證測試檢驗的控制參數(shù)能夠準確表達電路板配合的實際需求，以保證元器件的替代質(zhì)量。

[1]畢錦棟,鄭麗香,周軍連,等.電子元器件國產(chǎn)化替代工作探討[J].質(zhì)量與可靠性,2015（3）:35-40. Bi Jindong,Zheng Lixiang,Zhou Junlian,et al.Electronic Components Localization Discuss [J].QUALITY AND RELIABILITY,2015（3）:35-40.

[2]王杰.大型復雜電子系統(tǒng)電子元器件選用與管理方法研究[J].環(huán)境技術(shù),2012（4）:33-36. WANG Jie.Research on the Selection and Management Method of The Electronic Components to Large and Complex Electronic Information Systems[J].Environmental Technology,2012（4）:33-36.

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[8]莫建強.信號完整性分析及其在高速數(shù)字設計中的應用[D].成都：電子科技大學，2008. Mo Jianqiang.Signal Integrity Analysis And Application In High Speed Digital Circuit[D].CHENG DU:UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA,2008.

Application of Signal-Analysis in IC Localization Replacement

Hu Ziyang
（The 47th Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation,Shenyang 110032,China）

Integrate circuit(IC)is wildly used in common devices such as computer,electric power, finance,communications setting and in military equipment such as aviation,spaceflight,electronic device,watercraft,weapon and nuclear industry.Chinese electronic devices,especially military devices, are suffered from the problems of stop production,export restriction,security question,false product,test trouble，etc.IC localization is significant in practice and military.Because of different design and process,some matching questions occur in localization IC replacement，which can be avoided through signal analysis.There are two examples to explain the importance of signal analysis in localization.

Localization；IC；Signal analysis；Circuit system；Reliability；Match

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.01.006

TN47

B

1002-2279-（2017）01-0019-04

胡子陽（1978-），男，遼寧省鐵嶺市人，高級工程師，碩士，主研方向：集成電路設計與應用。

2016-07-19