（电路与系统专业论文）模拟混合信号集成电路行为级设计和仿真验证.pdf

摘要 半导体产业的发展促使集成电路设计和制造由单个i c 、a s i c 向s o c 转变， s o c 由数字s o c 全面转向混合信号s o c ，成为真j 下意义上的系统级芯片。混合信 号s o c 设计面临许多新的挑战，设计的复杂性呼唤新的设计方法和工具。 传统的“b o t t o m u p ”和已经应用到工程实践的“t o p d o w n ”设计方法不能 适应集成电路设计发展要求。通过行为级设计作为沟通系统级和线路级设计的桥 梁，实现了多种设计通路，并扩展了混合信号仿真的意义。混合信号硬件描述语 言具有描述数字电路和模拟电路的能力，具有描述系统行为和电路性能的能力， 成为系统级和行为级设计的最佳选择。 模拟电路是混合信号集成电路设计的瓶颈，因此本论文的研究重点是模拟电 路的行为级建模。论文以混合信号系统d c d c 变换器为着眼点，分析了 d c d c 变换器工作原理、控制方式和工作模式。在分析电压模b u c k 型d c d c 变换器各个模块的外部性能和内部结构基础上，建立数学模型，采用混合信号硬 件描述语言v e r i l o g a m s 建立其行为级模型，并验证模型的正确性和可靠性。 利用行为级模型进行稳定性分析，设计补偿网络。 在讨论混合信号仿真验证流程和工具基础上，对比分析电压模b u c k 型 d c d c 变换器x d 6 5 2 9 的行为级模型和晶体管级模型的仿真结果，实现数字和模 拟、不同抽象级描述的混合仿真，提高效率，实现资源的合理分配。 关键词：混合信号硬件描述语言d c d c 变换器行为级设计混合信号仿真 ab s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y , t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r e o fi ch a sb e e nc o n v e n e di n t oa s i ca n ds o c ( s y s t e mo na c h i p ) ，a n dt h ed i g i t a ls o c h a sb e e nc o n v e r t e di n t om i x e d - s i g n a ls o c m a n yn e w c h a l l e n g e si nm i x e d s i g n a ls o c l e a d st on e wd e s i g n t e c h n o l o g i e sa n dt o o l s w i t hm i x e d - s i g n a ld e s i g n sb e c o m i n gm o r ec o m p l e xa n dp r e s s u r ei n c r e a s i n gt o g e tt h ed e s i g n sr i g h to nt h ef i r s tt r y , d e s i g n e r sa r ef i n d i n gt h a tt h et r a d i t i o n a lb o t t o m u p a n dr e s e n tt o p - d o w nd e s i g ns t y l ea r en ol o n g e ra d e q u a t e t h en e wt o p d o w nd e s i g n p r o c e s si m p l e m e n t sm u l t i p l ep a s s e sw i t he a c hs t e p b e i n g v e r i f i e dw i t hm i x e d s i m u l a t i o n m i x e d s i g n a lh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e sa r eu s e dt oo b t a i nas h a r e d d e s i g nr e p r e s e n t a t i o n t h es y s t e me n g i n e e r sc a nb u i l da na r c h i t e c t u r a l 1 e v e l d e s c r i p t i o no ft h ed e s i g nc o n s t r u c t e df r o mb e h a v i o r a lm o d e l so fe a c ho ft h eb l o c k st h a t c a nb ee v a l u a t e db ye a c ho ft h ec i r c u i td e s i g n e r s t h ea n a l o gc i r c u i ti st h eb o t t l e n e c kf o rm i x e d s i g n a lc i r c u i t s ，s ot h er e s e a r c ho n b e h a v i o r a lm o d e l so fa n a l o gc i r c u i t si st h ep i v o to ft h i st h e s i s b a s e do nt h er e s e a r c h a n dt h ea n a l y s i so ft h ev o l t a g em o d eb u c kd c - d cc o n v e r t e r , b e h a v i o r a lm o d e l sa r e b u i l tw i t hm i x e d s i g n a lh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e s ，v e r i l o g a m s s i m u l a t i o n sa r e p e r f o r m e dt ov e r i f yt h ep r o p o s e dm o d e l s b e h a v i o r a lm o d e l se a s et h es t a b i l i t ya n a l y s i s o ft h ec l o s e ds y s t e ma n dt h ed e s i g no ft h ec o m p e n s a t i o nf i l t e r i no r d e rt oi m p l e m e n tt h em i x e d s i g n a ls i m u l a t i o n ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h ef l o w o ft h em i x e d - s i g n a lv e r i f i c a t i o na n dt h es i m u l a t i o nt o o l s t h e nt h e c o m p a r i s o na n d a n a l y s i so ft h es i m u l a t i o nr e s u l t so fb e h a v i o r a la n dt r a n s i s t o rl e v e lm o d e l sv a l i d a t e h i g he f f i c i e n c y o fm i x e ds i m u l a t i o nw h i c hi n c l u d e s a n a l o ga n dd i g i t a lm i x e d s i m u l a t i o n ，a n dd i f f e r e n td e s c r i p t i o nl e v e lm i x e ds i m u l a t i o n 。 k e y w o r d ：m i x e d - s i g n a lh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e s d c d cc o n v e r t e r b e h a v i o r a ll e v e ld e s i g n m i x e d s i g n a ls i m u l a t i o n 绪论 绪论 1 课题的意义和背景 ( 1 ) 混合信号设计 虽然混合信号设计的概念早已有之，但真正使用混合信号设计的技术并不多， 大多数采用传统的设计方法1 1 l ：数字部分采用硬件描述语言h d l s ( h a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e s ) 描述，然后进行仿真、综合、布局布线；模拟部分绘制电 路图，通过s p i c e ( s i m u l a t i o np r o g r a mw i t hi n t e g r a t e dc i r c u i te m p h a s i s ) 仿真后 进行版图设计；最后将两部分拼接在一起。真正的混合信号设计，需要结合数字 和模拟做整体的考虑以及验证，需要灵活的设计思路，不是数字设计与模拟设计 的简单叠加。 半导体产业的发展促使集成电路设计和制造由单个i c 、a s i c 向s o c 转变， s o c 由数字s o c 全面转向混合信号s o c ，成为真正意义上的系统级芯片。混合信 号s o c 设计面临新的挑战：系统级的数字与晶体管级的模拟的混合、h d l 语言 驱动的数字与原理图驱动的模拟的混合、“t o p d o w n ”的数字与“b o t t o m u p ”的 模拟的混合1 2 j 。 ( 2 ) 设计的复杂性呼唤新的设计方法和设计工具 数字电路设计方法和设计工具远远超前于模拟电路设计，基本实现设计自动 化。数字电路设计采用硬件描述语言对系统进行较高抽象层次的描述，并按层次 化方式管理，大大提高处理复杂设计的能力，缩短设计所需的周期；综合工具使 集成电路的性能，如面积、速度、功耗等，得到优化。 随着设计复杂性的不断提高和半导体特征尺寸的不断减小，大多数模拟电路 仍然采用“b o s o m u p ”设计方法，已经不能适应集成电路设计发展要求：已经 应用到工程实践的“t o p d o w n ”设计方法，系统级和线路级间存在严重的断层， 很难实现算法到结构的映射1 2 l 。模拟混合信号集成电路的设计工具相对落后，特 别是系统设计工具。在国内，清华大学、哈尔滨工业大学、航天时代电子公司7 7 1 所、上海交通大学、合肥工业大学等单位进行了混合电路设计方法学、混合验证、 测试和设计方面的理论研究；在国外，加州大学伯克利分校、斯坦福大学等科研 机构和c a d e n c e 、s y n o p s y s 、m e n t o rg r a p h i c s 等e d a 厂商都致力于丌发模拟混合 信号集成电路新的建模方法和仿真验证工具，进行了大量的研究工作。 本课题的研究内容基于v e r i l o g a m sh d l ( v e r i l o g - a n a l o gm i x e d s i g n a l h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) ，研究如何实现模拟混合信号集成电路的行为级 设计和混合信号仿真。 2 模拟混合信号集成电路行为级设计和仿真验证。 2 论文的章节安排和主要内容 本论文首先介绍了混合信号s o c 发展趋势，确定研究方向：第一章通过对传 统的“b o t t o m u p 和已经应用到工程实践的“t o p - d o w n 设计方法进行分析， 说明行为级设计在模拟混合信号集成电路设计中的重要作用：第二章研究集成电 路建模方法和硬件描述语言，对比分析混合信号硬件描述语言和其他建模语言的 特点，比较了v h d l a m s 和v e r i l o g a m s 的差别，表明混合信号硬件描述语言 是系统级和行为级设计的最佳选择；第三章是本文的重点，介绍d c d c 变换器 工作原理、控制方式和工作模式，采用v e r i l o g a m s 语言建立电压模b u c k 型 d c - d c 变换器各个模块的行为级模型，验证模型的j 下确性和可靠性；第四章在讨 论混合信号仿真验证流程和工具的基础上，以电压模b u c k 型d c d c 变换器 x d 6 5 2 9 作为设计实例，对比分析行为级模型和晶体管级模型的仿真结果，实现 数字和模拟、不同抽象级描述的混合仿真。 第一章集成电路设计方法研究 3 第一章集成电路设计方法研究 集成电路设计可分为j 下向设计和逆向设计两大类。j 下向设计通常是用来实现 一个新的设计，而逆向设计是在剖析别人设计的基础上进行某种修改或改进【。 在这两大类中又可分为“b o u o m u p ”和“t o p d o w n ”不同的设计方法，见表1 1 。 表1 1 止向殴计和逆向设计比较 方法 步八 b o t t o m - u p t o p d o 、i l j 下 系统划分、分解 向 单元模块设计 系统级设计 设 功能块设计 线路级设计 子系统设计 物理层设计与验证 计 最终验证 系统总成 版图解析 逆 电路图提取 版图解析 向 功能分析 电路图提取 设 单元设计 功能分析 功能块设计 结构修改 计 模块电路逻辑设计 子系统设计 系统设计 版图设计 1 1 传统的“b o u o m - u p 设计方法 1 传统“b o r o m u p ”设计和验证流程 设计流程：在系统划分和分解的基础上先进行单元模块设计，然后逐步向上 进行功能模块、子系统设计以至到最终的系统总成。 验证流程：每个模块不是放在整体设计环境中进行验证，而是单独验证的。 模块设计结束后，把所有模块连接起来进行整体验证，整体验证是晶体管级的验 证，无法在更高层次上进行混合验证。 混合信号验证方面，数字部分和模拟部分是分开验证的。数字部分主要采用 数字逻辑仿真器进行验证：对于模拟部分，只是在晶体管级、版图级进行验证， 目i i i 主要的验证工具是s p i c e 和基于s p i c e 的仿真器。现在的验证方法很难分析 数字和模拟之间彼此的影响，不利于整体性能的提高。 4 模拟，混合信号集成电路行为级设计和仿真验证 2 存在的问题 “b o t t o m u p 设计方法现在仍然在较小规模的模拟集成电路设计中发挥作 用，但是用这种方法在设计规模较大的系统时暴露出几个重要的问题2 】： ( 1 ) 延长验证时间，浪费计算机资源。将各个模块整合到一块后，最终的验 证是在晶体管级，花费很长的时间，难度很大。解决方法是减少验证的数量以满 足时间和计算机要求，然而不充分的验证将提高投片的j ) c l 险率。 ( 2 ) 难以综合考虑整体性能。对于规模较大的系统，性能、成本和功能的影 响主要体现在系统级。采用“b o t t o m u p ”设计方法，最后进行系统级的设计， 很难把握系统的整体性能。 ( 3 ) 难以修j 下错误。当模块整合到一块时，修讵错误意味着要重新设计相关 模块，不仅花费巨大，而且可能造成整个项目的延期。 ( 4 ) 规模较大的系统提高了对设计者的要求。为了保证整个系统能够正常的 工作，设计者之间必须更加紧密的联系和交流。 ( 5 ) “b o t t o m u p ”设计方法中几个重要并且耗时较长的步骤必须顺序的进 行，延长了完成整个设计的时间。 1 2 集成电路“t o p d o w n ”设计方法 1 现在主流的“t o p d o w n ”设计流程 为了解决上述问题，许多设计团队或者正在寻找，或者已经实现了 “t o p d o w n 设计方法【4 5 6 。 “t o p d o w n 设计方法要求从系统级到晶体管级的设计，在进入下一级设计 前每一级都设计完全，每一级都影响下一级的设计。图1 1 为现在主流的 “t o p d o w n ”设计流程，包括以下几个步骤：系统级设计、线路级设计、物理层 设计和验证、最终验证l g j 。 ( 1 ) 系统级设计 系统级设计是系统设计工程师通过寻找合适的算法和结构，在满足所需要功 能的前提下实现最小成本的过程。当算法确定后，系统设计工程师需要将其映射 为特定的结构，以利于线路级设计和每个模块在整体环境中验证。全芯片、高速 度、高性能成为系统级仿真的关键。 s o c 设计中，由于算法设计工具和结构设计工具不一致，因此算法向结构的 映射存在着断层。这种断层引起两个重要问题：一是线路级设计者不可能保证模 块电路能在期望条件下工作：二是将系统设计者和模块设计者完全分开，不能发 挥系统级设计的作用。在数字设计领域，s p w 、v c c 等设计工具可以实现算法到 结构的转换：而在模拟混合信号集成电路设计中，尚无类似的工具出现。 第一章集成电路设计方法研究 5 图1 1 现在主流的“t o p - d o w n ”的设计流挫 ( 2 ) 线路级设计 数字部分已经基本实现设计自动化，通过行为级综合将设计的行为描述转换 成寄存器传输级的结构描述，通过逻辑综合将逻辑级的行为描述( 如状态转移图、 有限状态机、布尔方程、真值表或者硬件描述语言) 转换成逻辑级的结构描述( 逻 辑门的网表) ，逻辑综合优化和时延优化完成后进行逻辑仿真；模拟部分，先进行 晶体管级的模块设计，然后进行仿真验证；r f ( r a d i of r e q u e n c y ) 部分的设计步 骤和模拟部分一样。全部设计完成后进行整体仿真。 目前，大部分的模拟模块还没有实现自动综合。主要是因为模拟电路的工作 特性依赖于模拟器件的高阶效应，需要用大量的非线性描述表示电路工作过程中 的工作点和运行条件，现有的综合工具很难将高层次混合信号电路模型准确而快 速地转换成等效的晶体管级或者物理层描述。随着e d a 技术的不断发展，模拟 综合工具将在未来几年内迅速崛起。 混合信号s o c 设计中，r f 模块的加入会对整个设计产生极大的影响。r f 设 计需要非常高速的有源器件的工艺和仿真模型，互连线模型和场方程的求解软件。 6 模拟混合信号集成电路行为级设计和仿真验证 这不仅需要基于硅的高水平工艺线和强大的e d a 工具，而且还需要提高器件的 模型化以及工艺与设计接口的设计自动化。 ( 3 ) 物理层设计与验证 数字电路已经实现自动布局布线，而模拟电路由于其器件的不规则性，加上 布局布线对电路性能有很大影响，目前主要采用人工设计，即根据电路图中器件 类型、结构、大小及连接关系，利用版图设计工具进行器件的布局和命线。版图 设计中，可采用参数化单元和已经存在的器件版图来进行设计，以提高设计效率。 目前的设计工具已经提供了完善的版图验证工具，设计规则检查d r c ( d e s i g nr u l e sc h e c k e r ) 保证版图满足设计规则，电路和版图一致性检查l v s ( l a y o u tv e r s u ss c h e m a t i c ) 保证器件的大小以及连接关系与电路图完全一致，消 除版图设计中的人为错误。 ( 4 ) 最终验证 版图设计完成之后，通过物理验证工具进行版图寄生参数提取一一l p e ( l a y o u tp a r a m e t e re x t r a c t i o n ) ，对提取出来的电路网表( 包括寄生参数) 进行仿 真，分析寄生效应对电路性能的影响，达到一次设计成功的目的。 最终验证一般是在晶体管级进行，仿真速度慢、效率低。 2 行为级设计 行为级设计不考虑电路结构和器件内部构造，只对模块的输入输出特性进行 分析，利用适当的数学方程、表格、子电路，或者框图形式进行建模。行为级模 型可以看作是将输入输出之间的关系用数学公式进行描述的模型。行为级建模的 核心是根据外部观察到的行为，而不是根据对内部物理过程的描述来建立模型。 它是系统级设计的细化和线路级设计的前提，具有系统级高层次抽象的能力和线 路级精确的性能。 图1 2 为改进的“t o p d o w n ”设计流程。v e r i l o g a m s 为混合信号硬件描述 语言，它包括数字子集( v e r i l o g ) 和模拟子集( v e r i l o g a ) ，具体描述见下一章。 ( 1 ) 行为级是系统级和线路级设计的桥梁 模拟混合信号集成电路的设计与验证主要通过仿真，目前主要在线路级上进 行所需要的内存和计算时间都非常大，无法适应s o c 发展的要求；而系统级的 的建模方法又难以实现算法到结构的映射，无法在系统级把握芯片内部结构和性 能，因此行为级设计成为连接现有两个层次设计的重要环节。 通过引入行为级设计构建系统级和线路级设计沟通交流的平台，能够更好的 定义系统和模块的性能，实现算法到结构的映射。同时，采用通用的、可执行的 设计描述混合信号硬件描述语言，系统工程师能够为设计建立系统级的描述， 线路级设计者可以评估每个模块的行为级模型，用行为级模型来构造系统级的描 述，在不同层次上实现统一的设计描述。 第一章集成电路设计方法研究 7 曩统曩设计 行为曩设计 线路曩设计 物理层设计与 量终验证 设计规格 图i 2 改进的“t o p - d o w n ”设计流程 ( 2 ) 制定合理的验证计划 合理的验证计划保证设计在投片前确定风险。 验证计划包括仿真计划( 描述验证如何进行) 和建模计划( 指出哪一个模型 有效的支持验证计划和哪一种性能应该包括在模型中) 。建模计划的目标是定义一 个简单模型的集合，说明什么时候它们有用，特定情况下将其扩展成复杂的模型。 建模计划非常重要，不对期望的性能建模，验证将没有意义；对很多性能建模， 验证将进行的很慢，模型变得复杂且很难去扩展。 系统级的建模很难对线路级进行详尽精确的描述，因此行为级的建模显得更 加重要。行为级建模对验证计划有特别的好处：一，方便设计者改进设计以适应 新的设计需求。当需要改进的时候，可以很快的从新执行验证计划，修正设计， 更新模型，然后应用到改进的设计中以保证满足新的需求：二，设计者对其所关 注的性能更敏感化，使这些领域尽可能少的出现问题。 ( 3 ) 实现多种设计通路1 2 j 高层次的抽象描述可以尽早的暴露设计中潜在的问题，再通过对抽象描述的 $ 模拟胱合信号集成电路行为级设计和仿真验证 扩展使更多的细节和可靠的信息变得有效。行为级模型通过描述所设计模块的性 能，可以确定模块的实现方式，估计模块的大小，以及确定初始结构。通过在行 为级模型中添加物理层的寄生参数，行为级仿真将能揭示版图中潜在的问题，以 便尽早的改变结构，改变模块性能指标，或者仅仅是改进验证计划。 行为级模型可以代替晶体管级模型，各个模块可以实现并行的设计过程。模 块设计结束后，通过改进行为级模型实现精确建模，行为级模型和晶体管级模型 达到良好的匹配。 ( 4 ) 扩展了混合信号仿真的意义 行为级所建立的数字和模拟部分精确的接口可以实现数模混合仿真，改进由 于数字模块复杂度和规模增大而引起的仿真速度减慢的问题：通过基于行为级模 型和晶体管级模型的多层次混合仿真，避免传统的单一晶体管级仿真，从而减小 仿真成本( 计算机资源和仿真时间) 和实现较高的自动化仿真：通过添加物理层 寄生参数模型，提高行为级模型的精确度，采用混合仿真验证最终性能，节省最 终验证时间。 ( 5 ) 行为级设计和仿真是模拟混合信号系统综合和测试的前提f 9 j 。 改进的“t o p - d o w n ”设计流程，将设计过程分割丌来，更好的定义系统和模 块性能；节省设计资源，减少设计成本，减少完成设计总的时间，提高效率；提 高处理复杂设计的能力；统一的设计描述使模拟i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 核化及 其流通成为可能，进而促进了设计复用的实现1 8 】。 第- 二章集成电路建模方法和语言 9 第二章集成电路建模方法和语言 在过去三十年中，硬件描述语言已经广泛应用于许多领域( 数字和模拟、机 械和化学等领域) 系统的建模和仿真。在相当长的一段时期，所有这些领域是完 全分开的，每一个领域有其独自的研究方法、工具和特点。特定的工程领域采用 专用的硬件描述语言来描述和仿真系统的逻辑结构，并且仍然发挥着积极作用。 集成电路设计过程中，系统级采用电子数据表、m a t l a b 、c 、硬件描述语言等 方式进行描述和设计，线路级采用原理图、v e r i l o g 、v h d l 、s p i c e 网表等进行 描述，不同的描述方式提高了对e d a 软件的要求，也隐藏了设计接口中的潜在 的错误。 上述问题的解决方法是使用统一的建模和仿真架构，采用统一的规则描述系 统以及描述系统间的交互影响。 2 1 集成电路建模方法研究 首先分析系统和模型的关系。系统是研究的对象，模型是系统行为特性的描 述，仿真则是建立在模型上的试验。 1 建模 建模是根据研究对象的基本物理规律，对物理系统写出描述其运动规律的属 性方程的过程。本质上来说就是依据系统之间的相似性原理，在一对系统之间建 立一种对应关系，从而可以利用模型对实际的系统进行研究。建模也可以看作是 对系统的抽象描述综合、提炼、改进的过程。 建模是设计过程的核心部分。建模的任务就是确定系统模型的类型，建立模 型结构和给定相应参数。建模所遵循的原 a i j - 模型的详细程度和精确程度必须与 研究目的相匹配。建模方法包括演绎分析法、归纳法和混合法。 2 系统数学模型 抽象应考虑模型的不同方面【io j ：一是时问，时问可以被抽象为有因果关系的 参数、同步的周期、绝对时间的整数倍( 离散时间) 或者实数( 连续时间) ：二是 数据，模型应该说明数据存在的时间、位置和类型。数据抽象通常与时间抽象相 联系，离散时间模型( d i s c r e t e t i m em o d e l ) 是将数据抽象为代表时间离散变量 的逻辑函数，连续时问模型( c o n t i n u o u s t i m em o d e l ) 是将数据抽象为代表时问 独立变量的实函数。离散时问行为通常用逻辑布尔方程( b o o l e a n ) 来表示，连续 时问行为通常由微分代数方程( d a e ) 来表示。在电学系统中，数字( d i g i t a l ) 1 0 模拟混合信号集成电路行为级设计和仿真验证 用来表示离散时间特性，模拟( a n a l o g ) 用来表示连续时间特性。 ( 1 ) 离散时间模型 逻辑布尔方程采用逻辑变量和一套运算符组成逻辑函数表达式来描述事物的 因果关系。 逻辑变量取值只有两种，逻辑0 和逻辑l 。逻辑0 和l 本身没有数值意义， 仅仅代表事物矛盾双方的两种状态。 基本运算符有与、或、非三种，它们可以由相应的逻辑电路来实现。基本运 算符可以实现逻辑布尔方程的复合逻辑，解决所有的运算问题。 ( 2 ) 连续时间模型【i i l 常用连续时间模型有以下四种： a 微分代数方程 设系统的输入为u ( t ) ，输出为y ( t ) ，它们之间的关系即系统的微分代数方程： 等了d - t y ( t ) + + 枷) = k 等 _ i - b i n _ i 可d - t u ( t ) ”+ 6 0 砸) ( 2 - 1 ) 式中a i ( i = o ，l n - 1 ) ，b j ( j = 0 ，l m ) 为常系数，且m n 。 b 传递函数 对式( 2 - 1 ) 两边取拉普拉斯变换( l a p l a c e ) ，并假设y ( t ) 和u ( t ) 及其各阶导数 的初值均为零，则可得： s n r ( s ) + 口。一i s ”1r ( s ) + + a o r ( s ) = b s ”u ( s ) + 6 。一l s 册一u ( s ) + + 6 0 u ( s )( 2 2 ) 设系统的传递函数为： ) = 怒 ( 2 3 ) uij - 则有： g = 簪等as 等等 c 2 削 s ”+ h i + + 口0 c 状态空自j 表达式 为描述系统的内部特性，引入状态变量。动态系统的状念是指完全描述系统 行为的一组变量，用向量x 表示。状态空间表达式由以下状态方程和输出方程组 成： r x = 似+ b u ( 2 5 ) i ， j ij ，= c x + d u 式中，x = x , x 2 x n 】t 为n 维状态向量，u 为r 维输入向量，y 为m 维输出向量， a n 。n 为系统矩阵，b n 。，为输入矩阵，c m 。为输出矩阵，d m x ，为直传矩阵。 ： 第二章集成电路建模方法和语言 1 1 d 结构图表示 ： 结构图是系统中每个元件或环节的功能和信号流向的图解表示，它比较直观， 对单输入单输出线性系统可通过结构图变换很容易得出整个系统的传递函数；而 对多输入多输出或具有非线性环节的系统也可以通过面向结构图的仿真方法得到 系统的动态特性。如图2 1 为一线性系统的结构图。 u y 图2 1 线性系统的结构图 对于一个连续时问系统，微分代数方程和传递函数仅仅描述了它们的外部特 性，即仅确定了输入量和输出量之| 日j 的关系，称为系统外部模型。状态方程引入 了系统的内部变量状念变量，因而状态方程描述了系统的内部特性，称为系 统内部模型。外部模型和内部模型之间可以相互转换。 3 层次化结构 建模可以在细节层次上或者抽象层次上描述系统的行为和结构。选择适当的 层次，一方面是模型精度和性能的折衷，另一方面也是设计复杂系统的方法。 在一个层次化结构中，端口( p o r t ) 用来描述内部连接的元件传递或者共用 数据。端1 2 1 的特征属性，可以被抽象为信号流( s i g n a lf l o w ) 适用于连续和 离散时问模型，或者满足能量守恒的量( q u a n t i t y ) 仅适用于连续时日j 模型。 量可以分为几种：横量( a c r o s sq u a n t i t y ) 表示具有作用结果的影响参数，如电 学系统中的电压或者机械系统中的速率；穿量( t h r o u g hq u a n t i t y ) 代表具有流量 性质的参数，如电学系统中的电流或者机械系统中的力；其它的量可以用来描述 具有其它效果的参数，比如电容的充电，电阻的能量消耗，或者二极管的噪声等。 层次化模块的内部通过线网( n e t ) 连接两个或多个端口。线网的的特征属性 是由连接在一块的端口的特征属性衍尘而柬，所以它可以是离散时间( 数字) 线 网或者连续时间( 模拟) 线网。线网只定义拓扑关系，实际上信号( s i g n a l ) j 是携带数据的模型实体，使模型能够交互子模块的能量和信息。由线网的特征属 性知，信号可以是离散时间( 数字) 信号或者连续时间( 模拟) 信号。混合信号 模型同时包含离散和连续时1 日j 信号。 1 2 模拟混合信号集成电路行为级设计和仿真验证 4 模拟系统建模方式 模拟系统建模要求模拟电路的信号幅值不受任何限制，可以是任何类型的数 据，可以在任意时间转换，真实地反映电路的实际特性。模拟系统有两种建模方 式：守恒系统建模和信号流建模。 守恒系统建模强调系统具有能量守恒特性，即系统必须遵循守恒定律。电荷 守恒和能量守恒是自然界的基本法则，把它们运用到电学系统中就是基尔霍夫的 两个定律：k c l ( k i r c h h o f f sc u r r e n tl a w ) 和k v l ( k i r c h h o f f s v o l t a g el a w ) 。守 恒定律要求：在一个由节点构成的环路中，流过每个节点上的具有流的效果的物 理量的代数和必须为零，所有具有力的效果的物理量的代数和必须为零。 信号流建模方式适用于描述控制系统。以这种方式建立的系统由一些彼此之 问通过端口信号连接的模块组成，信号从某个子模块流出，然后进入另一个子模 块。 建模方式的选择需要根据电路的实际要求确定。当需要两个量( 电流和电压) 描述系统时，就选择守恒系统建模。当仅需要一个量描述信号时，此时就用信号 流方式建模。由于信号流是单向传输的，因此不能对输入输出( 1 n o u t ) 端口使用 信号流建模。 5 仿真 仿真是以模型与实际物理系统之问的相似性为基础，利用模型代替实际系统 以研究实际系统的静动态特性。仿真的优点在于它完全是建立在软件的基础之上， 可以根据研究对象的不同特性随时对模型进行变动，而不像物理模拟那样需要对 硬件进行更动。 离散时间模型的仿真采用事件触发方式( e v e n t d r i v e n ) 。当信号变化时，仿 真器有选择性的再评估模型的内部状念。这一再评估过程包括布尔函数的执行， 或者指令序列的执行。d t s k ( d i s c r e t e t i m es i m u l a t i o nk e r n e l ) 负责事件的管理 和有选择性的再评估模型状态。 连续时问模型的仿真就是对一系列的微分代数方程求解的过程，这些方程表 示系统的行为和信号流( 或者满足守恒定律的连接符号) ，这一过程称为c t s k ( c o n t i n u o u s - t i m es i m u l a t i o nk e r n e l ) 。使用确定的或者变化的时i 日j 步长将系统行 为离散化，连续时自j 行为实际上是通过时恻分段线性函数来描述。连续时问模型 仿真的另一个重要特点是需要稳定的初始( 静态) 工作点。否则，在接下来的仿 真中将可能出现精度不高或者不收敛的问题。 混合信号模型的仿真，在时间和信号的离散或连续表达式之白j 采用一种特殊 方式切换，在c t s k 和d t s k 之间采用一种同步方式以处理混合信号交互界面， 但它同样需要稳定的初始( 静态) 工作点。 第二章集成电路建模方法和语言 1 3 2 2 硬件描述语言 硬件描述语言是一种编程语言，用以扩展可执行仿真的硬件系统模型。它有 以下特点：以行为描述见长，能从比较抽象的角度描述系统的行为：是结构化 语言，因此能从比较具体的角度描述系统的结构：具有从比较抽象到比较具体的 多个层面上对系统进行混合描述的能力；硬件描述语言的生命力在于用它所描述 的系统程序，既能被仿真，又能被综合。通过仿真验证设计的诉确性，通过综合 将抽象的设计描述转化为实在的物理设计逻辑图、电路图直至版图。 目自订世界上存在许多硬件描述语言，其中最流行的为v h d l 和v e r i l o gh d l 两种i 。v h d l 超高速集成电路硬件描述语言( v h s i c 硬件描述语言，v h s i c 表示v e r yh i g hs p e e di n t e g r a t e dc i r c u i t s ) ，最初由美国政府组织专门机构研究创 立，旨在满足电子设计的各种要求，以便作为工业标准的硬件描述语言，后来电 器和电子工程协会( i e e e ) 参与了对它的标准化，于1 9 8 7 年1 2 月正式推出版号 为i e e e 1 0 7 6 的第一个v h d l 工业标准版本；v e r i l o gh d l ( 简称v e r i l o g ) ，最初 由p h i lm o o r b y 于1 9 8 3 年创建，属于c a d e n c e 公司的专利技术，经过o v i ( o p e n v e r i l o gi n t e r n a t i o n a l ) 推动的研究丌发，v e r i l o g 于1 9 9 5 年被萨式确定为i e e e 1 3 6 4 一1 9 9 5 标准。 随着集成电路的发展，为了能够描述不断增大的系统级结构模型，e d a 厂商 不断扩展硬件描述语言的建模能力【l z l 。i e e e 币在丌发v h d l 最新版本v h d l2 0 0 ，丌发计划中包括各种功能增强，便于更高层次的建模抽象，还包括提高设计 人员工作效率方面的一些工具，通过更高层次的抽象能降低冗长程度，以提高设 计意图捕获能力以及高层次建模( 行为级模型和系统级建模) 能力；a c c e l l e r a 主 持丌发的s y s t e m v e r i l o g 扩展了v e r i l o g1 9 9 5 的建模能力，并且避免了v h d l 的主 要缺点( 冗长和复杂) ，目标是提高建模的方便性和提高具有大量门电路的、基于 v c ( 虚拟芯核) 的、总线密集的芯片的设计效率；s y n o p s y s 公司是s y s t e m c 丌 发工作的最初推动者，组建了o s c i ( 丌放式s y s t e m c 计划) ，旨在促进系统级知 识产权产品的交流，促进利用普通c + + 建模平台进行硬件软件的联合设计，由于 现有工具尚未成功地弥合系统设计和硬件设计之l 日j 的差距，因此s y s t e m c 还没有 达到v e r i l o g 的普及程度。 随着模拟混合信号集成电路的不断发展，对建模语言提出了新的要求：一， 能够同时描述系统的性能、行为、结构，具有同时对数字和模拟功能建模的能力， 需要丌发模拟混合信号的特殊模型；二，丌发跨越电子机械或者温度界限的模 型，实现多种领域混合建模，这比混合信号建模更难。于是，混合信号硬件描述 语言应运而生。 1 4 模拟混合信号集成电路行为级设计和仿真验证 2 3 混合信号硬件描述语言 混合信号硬件描述语言是将硬件描述语言扩展到描述模拟和混合信号的一种 标准语言，重点在模拟和混合信号描述上，最终实现模拟混合信号集成电路的高 层次描述、仿真和综合。v h d l - a m s 是i e e e 扩展v h d l 语言以支持模拟混合 信号系统的建模和仿真，于1 9 9 9 年成为i e e e1 0 7 6 1 1 9 9 9 标准【1 3 l ：v e r i l o g - a m s 是由i e e e1 3 6 4 1 9 9 5v e r i l o gh d l 标准衍生而来，重点在模拟和混合信号描述上， 由a c c e l l e r a 主持完成其语言参考手册u 4 1 ，现在还没有成为i e e e 标准。 1 混合信号硬件描述语言特点 与其他设计语言相比，混合信号硬件描述语言具有更多的优越性。硬件描述 语言( v h d l 和v e r i l o g ) 、m a t l a b 、s p i c e 所描述的模型都可以用混合信号硬件 描述语言。来模型化。 层次结构 系统( 传输函数) 描述 jl 系统( 事件)描述 j l 芯片算法 吾 萤 真值表 p 丧 寄存器逻辑状态表 b o o l e a n 方程 1r 电路微分代数方程 1r 图2 2v h d l a m s 和v h d l 描述能力的对比 图2 2 为v h d l a m s 和v h d l 描述能力的对比i i 引。混合信号硬件描述语言 是其硬件描述语言( v h d l 和v e r i l o g ) 的超集，除包括原有语言的所有功能外， 还增加了描述模拟和混合信号系统的功能。混合信号硬件描述语言适用于系统级、 行为级和电路级，可以描述系统高层次的行为，也可以描述电路的细节性能。 混合信号硬件描述语言与m a t l a b 比较：m a t l a b 提供采用传输函数描述系统的 极佳途径，混合信号硬件描述语言也提供了这一途径，而且还可以在r t l 级进行 描述。m a t l a b 缺乏描述集成电路的精确语言，很难与其他工具相链接，如s p i c e 和硬件描述语言。 混合信号硬件描述语言与s p i c e 的关系：加强集成电路仿真程序s p i c e 是微电子界最著名的模拟仿真器，支持s p i c e 意味着支持模拟分析的现有成果。 s p i c e 不是单一的语言，是一系列相关语言的总称。加利福尼亚大学的 p e d e r s o n 教授首先提出s p i c e ，由于其操作简单、功能强大、可靠的电气技术背 景以及免费开放源代码，因此被广泛的推广。许多公司建立自己相关的语言标准 第二章集成电路建模方法和语言 1 5 和模型，如p s p i c e ，t s p i c e ，h s p i c e 等，但是它们之间并不能很好的兼容。 任何s p i c e 模型都可以写入混合信号硬件描述语言中，这就使得混合信号硬 件描述语言仿真器可以分析电路。但s p i c e 不是混合信号硬件描述语言的子集标 准，需要有相应的工作来保证两者链接的标准化。另外，在s p i c e 中可以使用宏 来实现复杂的模型，混合信号硬件描述语言能力更强，不仅仅局限于宏模型。 2 混合信号硬件描述语言v h d l a m s 和v e r i l o g - a m s 混合信号硬件描述语言( v h d l - a m s 和v e r i l o g a m s ) ，都是通过扩展其相 应的数字硬件描述语言( v h d l 和v e r i l o g ) 产生新的行为级和结构级语言体系和 新的仿真机制。通过比较两种语言，可以了解它们各自的特点。 - - v e r i l o g a m s 含有连续时间( 模拟) 子集，称为v e r i l o g a i 怕j 。随着e d a 的发展，v e r i l o g a 将逐渐消失。图2 3 表明了v e r i l o g a m s 的组成元素和结构。 v h d l a m s