数模混合集成电路设计技术研究

第二章数模混合电路设计方法的研究

数模混合粲戒电路瀚设计流程是院鞍复杂酌。它不仅包括了单独的数字和模拟设计流程（分别尾予实瑷数字和模拟豹功魃模块）；在将数模电鼹混合时，也有其独立的设计流程去验证数模接口信号的正确性、数模混合后是否能继续正常工作，以及进行数模混台电路的物理设计等。因此，数模混合集成电路的设计实际镪含蓿三襄耜强独立豹设诗流程瓣…。

本章采用了对比的方法，酋走讨论了数字邀路、模｛茎｝电路的设计滚瑗；最后详细讨论了数模混合电路的设计流程，并就数模混合电路仿真、数模混合物瑷设计等关键阀题避行了论述。２．１设计抽缘层次

在数字电路和模拟电路设计中，基于设计和仿真的考虑，可将它们分别描述必不同的“鑫疆褥下”静撼象瑶次ｌ¨ｌ。强２．｜帮图２－２掰示为数字和摸撅设计的抽象层次和“自顶瓤下”的抽象模型。

数字设计模拟设计

图２—１数字和模拟殴计抽象层次幽２－２“自顶而下”抽象模型

由图２－１和图２。２可以看到，数字设计’的抽象层次分为：

●系统级（行为缀）：对系统进行功能描述，由顶滕功能模块组成，所有

戆凌能模块都必须提供完整静信号集及其时痔（功髓模块的矫特谯）。

这级抽象层次用于仿真验证系统或设计的熬本概念，从鼯建立具体结构实现的系统规范。

１１１寄存希传输缀（ＲＴＬ，ＲｅｇｉｓｔｅｒＴｒａｎｓｆｅｒＬｅｖｅｌ）：邋过寄存器、组合电路、

总线和控制瞧路等，黠电路功能邀行逻辑攒述。逻辕播述有溺个瀑次的描述风格：纯逻辑描述和结构描述。纯逻辑撼述遥应性强，但综合的随意性大，用在电路一般部位的设计；结构描述指定了电路结构，

６

～囡圈固回

一回圆图画

避免综合后的随意性，用猩电路关键部位的设计。ＲＴＬ级的仿真用于

验｛歪设计的逻辫瓤对序。

●ｆ－ｊ缀：通过逆瓣门的结构化互连，臻遮设计的功能、对序和结构。逻

辑行为模块实现布尔函数关系，如与非、或非、非、与、或和姆或等。

门级的抽象层次用于验证单个信号路径的时序。

●嚣关缀：臻述缀残逻辑电鼹茨鑫传管乏阉匏互连，瑟燕舞警裁建摸受

开关器件。遮缀抽象层次用于验证关键信号路径爨精确的时序信息。

与数字没计相对成，模拟设计的抽象层次分为；

·萼亍为缀；描述设诗酶嚣凳瓣不关，玉具体静结褐实魏。这缀擒象屡次蘑于仿真验证系统或设计的旗本概念，从而建立具体结构实现的系统规

范。

·功貔级：描述设诗鲍凌黪疆不关心箍体餐级的具体实现。这缀接象层次对应于数字设计擒象层次中的ＲＴＬ级。

·原谣级：通过电阻、电容、电感和半母体元器件的电压电流行为以及互逑，描述电路的操作。

基于模拟电路和数字电路设计的“自顶搿下”的抽象艨次和抽象模烈，下面分别讨论模拟电路和数字电路的设计流程。

２．２攘按耄鼹没谤基本滚程

在模拟集成电路领域，模拟工程师可用的ＥＤＡ工具的功能和系统配套性远远落后于数字集成电路，设计过程中需要的人工干预远比数字电路频繁和熏要。模拟电路鬻孀的设计瀛鞭熟鹜２．３鼹示。

·系统定义

模拟电路的系统设计要求侧重于电路参数的实现，因此系统工程师不仅要对整个系统和其子系统进行功能定义，而且还繇提出时序、功耗、面积、信噪毙等经能参数鳇莛基癸求。

·电鼹设计

模拟电路的综合目前尚无较为成熟可用的软件，所以大多模拟电路的设计还是由具有设计经验的工程师手工究成。根据电路功能、设计的参数指标郛系统援范选簿会逶熬毫魏绦季奄：穰照缮稳采决定元器绛静组合；壤撵交、纛流参数决定晶体管工作偏置点和晶体管大小；依环境估计负载形态和负载值等。

●电路仿真

仿真怒不可缺少黪一步，设计工程耀根据傍＿舞结果对邀鼹的参数进纾壤整，赢到电路豹仿真结采能满足掰有静设计指标和动能要求，才进行下一步。可孀参数扫描的方法微调ＭＯＳ管的宽长尺寸，以取得最佳的电路性能；通道直流

和交流分析来确定电路的直流和频率响应是否达到了设计要求；还可以通过蒙特卡罗分析和不同的工艺角参量（ＣｏｒｎｅｒＰａｒａｍｅｔｅｒｓ）来进行容差分析，估计芯片的成品率等。

例２－３模拟电路的发计流程

●版图实现

电路的设计及仿真决定电路的组成及相关参数，但并不能直接送往晶圆代工厂（Ｆｏｕｎｄｒｙ）进行制作。设计工程师需提供集成电路的物理几何描述，把设计的电路转换为图形描述格式。模拟集成电路通常是以全定制方法进行手工的版图设计，但可利用Ｆｏｕｎｄｒｙ提供的包含一系列参数可定制基本单元（Ｐｃｅｌｌ，ＰａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄＣｅｌｌ）的ＰＤＫ（ＰｒｏｃｅｓｓＤｅｓｉｇｎＫｉｔ），保证绘制版图的质量，缩短模拟电路版图设计实现的周期。在设计过程中需要考虑设计规则、匹配性、噪声、串扰、寄生效应、闩锁效应等对电路性能和可制造性的影响。

●物理验证

物理验证阶段进行设计规则检查（ＤＲＣ，ＤｅｓｉｇｎＲｕｌｅＣｈｅｅｋ）和版图电路图一致性检查（ＬＶＳ，ＬａｙｏｕｔＶｅｒｓｕｓＳｃｈｅｍａｔｉｃ）。设计规则检查用于保证版图在工艺上的可实现性。它以给定的设计规则为标准，对最小线宽、最小图形间距、孔尺寸、栅和源漏区的最小交叠面积等工艺限制进行检查。版图电路图一致性检查用来保证版图的设计与其电路设计的匹配。ＬＶＳ工具对版图进行版图参数提取（ＬＰＥ）得到相应的电路图，并将此电路图与设计所依据的原电路网表进行比较，从而检查设计是否有错。

２．４数横混合电路设计流程

在将数模电路混合时也有其独立的流稷：数模混合电路的仿真和数模混合电路的物理设计。

图２．ｓ为业界ＥＤＡ工凝供应商Ｃａｄｅｎｃｅ公司提出的高级数模混合信号定制设计滤鼷ｆ嘲。

图２－５Ｃａｄｅｎｃｅ裹级数模混合嚣号定截设计流释

２．４．１数模混合电路仿真

根据数字电路和模拟电路抽象层次的划分，设计时希望数模混合电路的仿真能在各个相应层次上协同进行，并贯穿整个数模混合电路“自顶而下”的设计全过程。龆前述数字墩踌和模拟电路基本设计流程，数字电路在系统级、寄存器健竣缀、门级淤及羹＝关缓（螽锌管级）稔季囊象层次上都突瑷了裙应夔接冀验证；德是对于模拟集成魄路，其设计方法学军珏设计工具的功潍及系统配套性都远遮滞后于数字集成电路，模拟电路的仿囊验证主要还是在电路级（原语级）的抽象滕次上进行。数模混合电路目前的主袋验证方案是对数字电路部分和模拟电路部分分别进行不嗣抽象层次的仿真，聚用同步和信号转换机制实现两种仿真方茂瓣秘调。数模懑会瞧鼹傍囊瓣整俸遮度鞠精度取决予傍囊丽壤中镬震静模摈傍寞器¨”。

２．４．１．１数模混合电路仿真元索

数模混合仿真环境需骤处理模拟仿真、数字仿真以及两者的接口部分。目前，大多数的数模混合傍爨环境是把数字傍嶷嚣和模拟仿真器熬合在一起。圈２－６灏透专为数攘混台售号泡路傍卖元素懿筵零示意摇蚕。数字镑囊器窝模数莹真器分剃作为独立的进程运行，数字、模拟傍真器之闽的数撼传输通过一个主控进程控制。数字电路部分处理的是离散信母，在仿真时只需骚跟踪电路中状态的改变，采用事件驱动的模拟方式进行仿旗。模拟电路部分处理的是连续信号，在仿真时必须采用很小的时间步长。所以主控进程需要解决模拟与数字仿