数字模拟混合集成电路设计分析

余昌皇

（凯里学院，贵州 凯里 556011）

0 引 言

我国集成电路设计水平与制造水平之间还存在不小的差距。目前，我国已经能够制造出超大型集成电路制造设备，掌握了14 nm级完整产品工艺，达到了国际先进水平。但是，在集成电路设计方面依然停留在0.10 μm[1]。模拟集成电路发展明显滞后于数字集成电路，两者的技术水平差距加大。因此，必须努力提高模拟集成电路设计水平，进一步发展我国数字模拟混合电路技术。数字模拟混合集成电路设计难度非常大，其设计过程主要包括数字设计和模拟设计。当设计数字和模拟混合电路时，将执行单独的设计流程以检查相关设备的适用性。

1 集成电路设计抽象层次

在设计集成电路时，基于设计和仿真，考虑可分为“自上而下”的抽象级别。

（1）系统级别。此抽象级别用于仿真和验证系统或设计的基本概念，以确定特定结构的实现标准。

（2）RTL级。通过总线、控制电路、寄存器以及组合电路等描述电路功能，包括纯逻辑描述和结构描述[2]。纯逻辑描述适用范围广，常用于电路通用设计，而结构描述常用于电路关键设计。

（3）门级。通过逻辑门结构化连接描述电路的布尔功能关系，如NAND、NOR、NOR、AND、OR和XOR[3]。

（4）开关级。描述晶体管之间的连接，用于验证电路信号路径时序信息。

2 数字模拟混合集成电路设计思路

在集成电路的设计和制造技术迈入纳米时代后，原始的模拟电路和数字电路的设计思想和过程不再适用。传统的模拟电路设计使用自下而上的设计思想，而数字电路设计则使用自上而下的设计思想。模拟信号的基本切换基于晶体管级的仿真，而数字信号切换模块则基于行为级的表示[4]。为模拟电路设计的模块由电路图控制，而为数字电路设计的模块由硬件语言（HDL语言）控制。为了讨论数字模拟混合电路设计方法，必须使用新的设计概念、新的设计流程和系统设计方法。当设计和制造数字模拟混合信号集成电路时，模拟部分和数字部分在同一基板上完成。从模拟部分到数字部分的通信、从数字部分到模拟部分的通信，是通过各种数字/模拟信号转换接口完成的。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

理想的数字模拟混合电路结构设计过程，应该是在相同的仿真环境中集成模拟和数字算法，由仿真器接管每个电路的描述。混合信号仿真器的主要任务之一是同步两种截然不同的算法，以便在转换两种算法时信号不会引起任何错误。当数字仿真器通过事件驱动时，模拟仿真器采用动态时间步长控制。创建混合信号的原理图后，将生成分层的网表文件，并最终在配置的仿真环境中完成验证。模拟电路模型和数字电路模型之间的巨大差异，使得数据格式设备建立统一的模型库受到了成本、技术和制造商壁垒的限制，目前仅限于理论研究。现有的用于模拟和数字混合信号仿真模拟和数字验证的平台都以帧耦合的形式实现[5]。每个领先的EDA制造商都使用不同的同步机制将先前介绍的模拟电路仿真器和数字电路仿真器集成到同一个仿真环境中。为了确保两者之间的数据交换，模型和数据存储在一个公用数据库中。框架管理器的进程用于管理数据库访问。

3 电路设计流程

3.1 模拟电路设计流程

与数字集成电路相比，模拟集成电路的系统配置和技术量之间差异较大，并且整个设计过程很大程度上取决于设计人员。在设计模拟电路时，电路参数的实现是关键。因此，设计人员必须精确定义模拟电路主电路和分电路的功能，同时合理控制信噪比、时序等关键参数范围。由于我国目前还没有完善的电路设计软件，大多数电路设计工作仍需要设计人员手动完成。在设计模拟电路时，必须结合仿真结果调节相关参数，目的是提高电路系统的稳定性。若仿真结果能够满足要求，可以继续进行后续设计。电路参数选择与电路设计和仿真结果直接相关。完成设计和仿真后不能直接交付制造商，还需要创建电路几何图形，通过图形语言描述电路结构，验证的目的是确定实际设计是否与电路图匹配。进行物理验证时，必须根据指定的设计规则检查电路版图和电路设计是否匹配。模拟集成电路设计和寄生参数的选择息息相关，即使仿真前电路设计符合要求，仿真结果也往往不能满足要求。这种情况下需要调整参数，甚至需要调整电路基本结构。如果电路性能要求很高，还必须多次仿真测试整个电路结构，直到仿真结果符合要求才能停止仿真测试，从而有效保障电路设计的合理性。

3.2 数字电路设计流程

电子设计自动化EDA工具是设计数字电路不可缺少的工具。大多数数字电路设计都是半自动化的。系统级设计通常基于系统架构，必须将系统划分为不同的模块，且必须仔细设计总体时序。经常出现在系统结构设计中的框图并不复杂，但是如果设计规模很大，则应对其行为建模，再通过仿真检查电路设计合理性。利用硬件描述语言，如Verilog、VHDL处理电路模块的过程属于RTL抽象层次设计。为了识别代码可以合成，必须在电路设计中考虑硬件的可行性。设计和仿真可以确保RTL描述功能不存在时序和逻辑问题，将门延迟添加到RTL电平仿真中实现门级仿真。具体含义是参考集成电路的布局，并再次仿真电路中的延迟信息，根据约束文件中的限制事项，将在RTL级别描述的代码映射到在门级别的网表（称为合成）。只有在约束文件中记录正确的芯片工况和设计标准，才能得到合成结果。合成时，依据连线负载模型求得标准单位延迟。完成上述步骤后，可以在门级网表上进行自动布线，即在满足目标函数的前提下将模块合理分布于芯片上，目的是轻松将逻辑设计转换为物理设计。布局和布线时有必要使芯片的面积尽可能小，同时缩短布线的总长度，以确保最佳的电气性能。

3.3 数字模拟混合电路设计流程

在设计数字模拟混合电路时，有其对应的电路仿真和物理设计的独立流程，如图2所示，

图2 数字模拟混合集成电路设计流程

3.3.1 数字模拟混合电路仿真

根据电路设计抽象层次的不同，数字模拟混合电路仿真必须能够在整个设计过程中仿真所有抽象层次的电路结构。如提到的数字集成电路、模拟集成电路的设计流程，数字电路已经在系统级、RTL级、门级和开关晶体管级实现了仿真。但是，由于模拟集成电路设计技术相对落后，所用设计工具有待提升性能，设计的模拟电路系统兼容性远不如数字集成电路。模拟集成电路设计仿真基本上是在电路基本元素抽象层次上进行的。当前，数字模拟混合电路仿真方案是在各个抽象层次上分别仿真数字电路和模拟电路，通过同步信号转换机制，综合两种电路的仿真结果。数字模拟混合电路仿真效率和结果准确度由模拟电路仿真决定。

3.3.2 数字模拟混合电路物理设计

模拟电路设计需要较多的人工设计，而数字电路布局实现了全自动化。因此，数字模拟混合集成电路的物理设计应该将模拟电路布局用于数字电路模块，提取其中的物理信息，以便用于数字电路设计。通过电路设计自动化工具，可以在布局、布线过程中精确布局模拟电路模块。最后，根据数字电路的后端处理，完成整个数模混合电路布局设计和物理验证，使数字模拟混合电路设计与物理实现吻合。在设计数模混合电路物理结构时，可以采用以下方法设计模拟电路模块布局。模拟电路模块往往位于数字模拟混合芯片边角，布局应尽量接近I/O引脚，目的是使布线最短。如果模拟电路模块产生大量噪声，则应对其进行隔离处理，布局时运用多层保护环。在布局电路模块时，要尽量远离芯片上的其他敏感电路。如果模拟模块是相对敏感的电路，则应使其远离其他噪声源。对于功耗较高的模拟电路模块，应该将其布局在电源附近，避免多边形或标准单位区域狭长，否则会降低芯片布通率。

4 数字模拟控制芯片电路设计

4.1 微波炉控制芯片电路结构

微波炉控制芯片电路结构如图3所示。

图3 微波炉控制芯片结构

该控制芯片电路通过混合使用数字集成电路和模拟集成电路的方式实现。数字电路部分包括控制何分频两大模块。模拟电路部分包括上电复位模块和RC振荡模块。RC振荡电路与外部网络共同形成振荡信号，为芯片提供系统时钟。上电复位模块用于监控RC振荡模块，并根据监控反馈结果发送或释放复位信号。芯片通过分频系统时钟和按键输入控制逻辑电路，实现RC网络连接控制和继电器加热电路定时功能。

4.2 微波炉控制芯片电路图

微波炉控制芯片电路如图4所示。

图4 微波炉芯片电路

该芯片电路能够控制继电器加热电路时序，通过调整外部RC网络控制微波炉的运行时间。控制芯片的电源由220 V市电经过分压、整形、滤波后提供。

4.3 微波炉控制芯片数字电路自动化设计

微波炉控制芯片的数字模块由分频和控制模块组成，因此整个数字部分主要分为两个数据通道。分频功能模块由分频器电路、3分频器和5分频电路组成。因此，模块对RC振荡电路时钟信号进行分频，再利用组合电路输出CTRL信号。CTRL信号以高电平“1”开启运行，延迟30 s降低到低电平“0”。控制功能模块由两个数据通道组成，数据通道由串联的触发器何组合电路构成。触发器以分频RC作为采样时钟，分频次数和按键灵敏度直接相关。

5 结 论

随着微电子技术的不断进步，集成电路设计中的器件结构尺寸越来越小，改进数字模拟混合信号集成电路设计技术将带来新的增长空间。通过研究数字模拟混合信号集成电路设计技术，可以为数字模拟混合集成电路的自动设计技术和集成设计方法的研究提供参考，从而促进我国集成电路设计技术的进步。