（微电子学与固体电子学专业论文）数模混合电路的行为级设计和验证.pdf

数模混合电路的行为级设计和验证 摘要 随着消费电子、交互式电视、多媒体电子产品的开发，越来越多的模拟功 能块添加到数字功能块中，这种变化趋势必然涉及如何同时设计和验证数字电 路和模拟电路，对内嵌在系统芯片中的数，模混合电路的设计和验证提出了挑 战。混合信号硬件描述语言( m s - h d l ，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 n l a n g u a g e ) 的出现，使混合电路的行为级描述成为可能。 模拟电路是数模混合电路设计的瓶颈，因此本论文研究重点是模拟电路 的行为级建模。在研究和分析模拟硬件描述语言( a h d l ，a n a l o gh 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 ) 和混合电路行为级设计方法的基础上，实现了一个典型 混合电路一电荷泵锁相环( c p p l l ，c h a r g ep u m pp h a s el o c k e dl o o p ) 的行为级 模型。设计了锁相环电路的鉴频鉴相器( p f d ) 单元、电荷泵( c p ) 单元、 环路滤波器( l f ) 单元、压控振荡器( v c 0 ) 单元和一些辅助功能电路的 行为级模型。每个模块的设计方法是首先建立数学模型，然后用混合信号硬 件描述语言完成数学模型的功能。另外，本文在分析锁相环抖动类型的基础上， 在锁相环的行为级加入了相位抖动和频率抖动模型，使模拟电路的行为级设计 可以体现抖动的特性，增加了行为级模型的精确度。 另外，为了实现数模混合电路行为级验证，本文建立了一个8 位m c u 和 电荷泵锁相环联合工作的混合电路系统。按照数模混合电路的行为级验证流 程，对该系统进行了仿真。而且进一步研究了不同描述方法验证的优势，对比 了电荷泵锁相环采用行为级和晶体管级两种不同描述方法情况下的实验结果， 事实证明行为级验证确实具有高效性的特点。 关键字：混合电路、混合信号硬件描述语言、电荷泵锁相环、行为级模型、 行为级验证 t h eb e h a v i o r a ll e v e ld e s i g na n d 、k r i f i c a t i o no fm i x e ds i g n a lc i r c u i t s a b s t r a c t c o n s u m e re l e c t r o n i c s ，s u c ha sc e i l u l a rp h o n e s ，i n t e r a c t i v et e i e v i s i o n s ，m e d l a e l e c t r o n i c s ，r e q u i r ea n a l o g m i x e ds i g n a l( a m s ) c i r c u i t si na d d i t i o n t om a j o r d i g i t a lb l o c k s h o w e v e r ，e m b e d d i n ga m sb l o c k si nas y s t e m - o n _ a - c h i pp o s ea c h a l l e n g et od e s i g na n ds i m u l a t i o n ，s i n c ei ti n v o l v e sh o w t od e s i g na n dv e r i f yb o t h d i g i t a la n da n a l o gc i r c u i t sa tt h es a m et i m e t h ep r e s e n c eo ft h em 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 ( m s h d l ) m a k e st h eb e h a v i o r a ld e s c r i p t i o no f m i x e ds i g n a lc i r c u i t sf - e a s i b l y t h ea n a l o gc i r c u “i st h eb o t t l e n e c kf b rm i x e ds i g n a lc i r c u i t s ，s ot h er e s e a r c h o nb 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 e r e s e a r c ha n dt h ea n a l y s i so ft h ea n a l o gh a r d w a r ed e s c f i p t i o nl a n g u a g e ( a h d l ) a n dm i x e dc i r c u i t sb e h a v i o r a ll e v e ld e s i g nm e t h o d o l o g i e s ， ab e h a v i o r a ll e v e l m o d e io fac h a r g ep u m pp h a s el o c k e dl o o p ( c p p l l ) ，w h i c hi sat y p i c a lm i x e d s i g n a lc i r c u i t s ，i sd e s i g n e d t h eb e h a v i o r a ll e v e lm o d e i so fc p p l li n c i u d es u c h s u bm o d u l e s ：p h a s ef e q u e n c yd e t e c t o r ( p f d ) ，c h a r g ep u m p ( c p ) ，l o o pn j t e r ( l f ) ， v o l t a g ec o n t r o lo s c i l l a t o r ( o s c ) a n ds o m ea u x i l i a r yc i r c u i t s t h ed e s i g nm e t h o do f e a c hm o d u l ei sm o d e l i n gm a t h e m a t i cm o d e l sf i r s t ly ，a 芏l dt h e nu s i n gt h em 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 et or e a l i z et h em o d u l e m o r e o v e r ，b a s e do n t h ea n a l y s i so ft h ej i t t e rt y p e si np l l ，t h ep h a s ej i t t e ra n d 蠹e q u e n c yj i t t e ra r e a d d e di n t ot h eb e h a v i o r a il e v e lm o d e i so fp l l ，w h i c hr e n e c t st h ej i t t e rf e a t u r ei n t h eb e h a v i o r a ll e v e ld e s i g na n di n c r e a s e st h ep r e c i s i o no ft h eb e h a v i o r a ll e v e l m o d e l s i no r d e rt oi m p l e m e n tt h eb e h a v i o r a ll e v e l v e r i 豆c a t i o no fm i x e ds i g n a l c i r c u i t s ，am i x e ds i g n a ls y s t e mc o m p o s e do f8b i t sm c ua n dac h a r g ep u m pp h a s e l o c k e dl o o pi se s t a b l i s h e di nt h i st h e s i s ，t h e nt h es y s t e mi sv e r i f i e d ，a c c o r d i n gt o v e r i f i c a t i o nn o wo fm i x e ds i g n a lc i r c u i t s m o r e o v e r ，t h ea d v a i l t a g e so fd i f 陪r e n t d e s c r i p t i o nm e t h o d sh a v eb e e ns t u d i e d t h ec o m p a r i s o no fe x p e r i m e n t a lr e s u l t so f c p p l lw i t hb e h a v i o r a ll e v e la n dt r a n s i s t o rl e v e ld e s c r i p t i o nh a sb e e nm a d e t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h eb e h a v i o r a il e v e lv e r i f i c a t i o nh a sh i g he f 矗c i e n c y c o m p a r ew i t ht r a n s i s t o rl e v e ld e s c r i p t i o nv e r i f i c a t i o n k e yw 0 r d s ：m i x e ds i g n a lc i r c u i t s ，m i x e ds i g n a lh a r d w a r ed e s c r i p t i o ni 卸g u a g e ，c h a r g e p u m pp h a s el o c k e dl o o “b e h a v i o f a ll e v e jm o d c 】s b e h a v j o r a l l e v e lv e r i f i c a t i o n 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 委员： 铉筘2 专 舭琴。 刷吼孤 职称) 獭灸瓷 犯瀚懈 插图清单 图卜l 混合i c 市场发展趋势1 图1 2v e r i l o g a m s 语言结构3 图2 一l 混合电路设计发展的动力和趋势5 图2 2 数字电路为主的s o c 示例5 图2 3s o c 的发展历程6 图2 4d m s s o c 示例6 图2 5 模拟和数字采用不同设计方法的传统混合电路7 图2 6 混合电路“自顶而下”设计方法流程图9 图2 7v 嘶l o g a m s 语言描述的领域1 4 图2 8 k 遮址o f r 电压守恒定律1 7 图2 9 i 堕c h h o f 电流守恒定律1 7 图3 1 锁相环的基本结构_ 2 1 图3 。2 锁相环电路对频率阶跃的欠阻尼响应2 3 图3 3 不同值的二阶系数欠阻尼响应2 4 图3 4 锁定过程中的瞬时相位差( 眈【f ) ) 和瞬时频率差( 以( f ) ) 波形2 5 图3 5p l l 中稳定性参数的量化关系2 6 图3 6 电荷泵锁相环基本结构图2 7 图3 7 经典的p f d 电路3 1 图3 8p f d 模块端口定义3 2 图3 9 状态转换示意图3 3 图3 1 0c r o s s ( ) 语句示意图3 5 图3 1 lp f d 仿真原理图3 6 图3 1 2 “l o c l k ”信号和“f d c l k ”信号同频率不同相位情况仿真结果3 7 图3 1 3 “l o c l k ”和“f d c l k ”不同频率情况仿真结果3 8 图3 1 4 电荷泵结构图3 9 图3 1 5 电荷泵框图3 9 图3 1 6 电荷泵设计要求示意图4 0 图3 1 7 电荷泵的仿真环境示意图4 2 图3 1 8 电荷泵仿真结果4 3 图3 1 9 ( a ) r c 积分滤波器结构图4 4 图3 1 9 ( b ) r c 积分滤波器的频率特性4 4 图3 2 0 二阶r c 积分环路滤波器电路图4 5 图3 2 1 压控振荡器特性曲线4 6 图3 2 2 压控振荡器传输函数模型4 7 图3 2 3 非线性的v c 0 特性4 8 图3 2 4 压控振荡器框图4 9 图3 2 5 压控振荡器仿真图5 1 图3 2 6 压控振荡器仿真结果5 2 图3 2 7 分频器综合后电路图5 2 图3 2 8 锁相环整体仿真图5 3 图3 2 9 锁相环噪声相位模型5 4 图3 3 0p l l 典型噪声模型5 8 图3 3 1v c o 行为级噪声仿真结果6 2 图4 1 数模混合电路仿真流程6 5 图4 2 混合信号电路仿真环境一6 6 图4 38 位m c u 测试平台结构图6 7 图4 4 混合信号系统6 8 图4 5 混合信号系统仿真环境7 0 图4 6 混合信号行为级仿真结果。7 1 图4 7 同一个模块不同描述方式的验证7 1 图4 罐p l l 采用不同描述方式的测试平台7 2 表格清单 表2 1 模拟电路的抽象层次1 4 表2 2v e d l o g a m s 语言定义的模拟操作算符1 5 表3 1 鉴相器相位状态和输出信号之间的对应关系3 2 表3 2 ( t ) 信号波形和乘法器状态对应关系4 0 表3 3 设计参数5 3 表3 4 锁相环仿真得到的性能指标5 3 表3 5p m 和f m 抖动特征5 7 表4 1 行为级验证和晶体管级验证方法的数据对比7 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得盒目b 王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒魍王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘允许论文被查阅或借阅。本人授权金 世工业太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 致谢 本论文是在导师高明伦教授的悉心指导下完成的。高老师不仅学识渊博、 治学严谨，而且诚恳待人、诲人不倦。高老师对科学的认真态度和崇高的品德 是我永远学习的楷模，并将使我终身受益。衷心感谢导师的理解、培养、支持 和教诲。 感谢王锐老师两年来对我在学习、生活各个方面的指导和帮助。 感谢杜高明博士对我学习和工作上的指导和帮助。 感谢孙海平博士对我学习和工作上的指导和热心帮助。 感谢张多利博士对我学习上的指导和热心帮助。 感谢一起学习和工作过的h g d 0 8 r 0 1 项目组的马友花、何叶东、齐海 鹏，谢谢他们对我的帮助和支持。 感谢合肥工业大学微电子设计研究所潘老师、邓红辉老师、林微老师 和杜艳英对我的热情支持。 感谢微电子设计研究所所有同仁陪我度过三年美好时光。 感谢父母多年来对我的教育和培养，尤其是在读研期间对我不断的鼓 励和支持，让我受益终生。 感谢刘杨对我学习和生活上的帮助和关心。 感谢所有关心、支持和帮助过我的老师、同学和朋友! 作者：刘晓稳 2 0 0 5 年3 月 第一章绪论 1 1 课题的意义和背景 在过去十几年中，电子系统的复杂性和工作频率显著提高，复杂性的增长 体现在系统中集成的组件不断增加，不同功能的模块集成在一起，s o c 的规模 越来越大。比如快速增长的个人通讯市场，其产品包含了多个功能块，如无线 传输、模拟和数字信号处理、数字计算功能块，天线、射频组件。传统上集成 电路的设计分为两大类，数字和模拟，两者各具特色。 数字技术是一种人工编码技术，已经被广泛的应用。然而自然界的监控对 象和控制对象，如声、光、电、温度等全是连续变化的模拟量，不可能用数字 技术直接监测和控制，需要一个接口，实现这一接口功能的正是模拟电路l l 】。 另外任何数字系统都必须有电源的控制和管理，所以任何一个实际的系统都是 混合信号系统。混合i c 的应用覆盖整个电子领域，如计算机及其外围芯片、 多媒体、音频、视频和网络。现阶段，混合i c 市场的需求越来越大，如图1 1 【2 j 所示： a m sm a r k e tt r e n d h a o fa s l cd e s i g 艏i n c i u 拈d l g l t a la 咀a n a l o g 图1 1 混合i c 市场发展趋势 同模拟电路相比，数字电路的设计方法和仿真已经比较完善4 1 。利用硬 件描述语言v h d l 6 】和v e r i l o gh d l ，设计人员可以方便的进行行为级设计， 而不涉及电路的具体实现。这种方法有利于快速验证设计思想，进行多种设计 方案的比较和选择，优化设计的体系结构。 同数字领域相比，模拟系统的设计工具相对落后【刀，尤其缺乏具有高层次 抽象能力的设计工具【8 】，这严重影响到数模混合信号系统的设计能力。由于系 统的复杂性增加，模拟和数，模混合信号系统的行为级建模和模拟成为当今急 需解决的问题【9 1 ，是e d a 领域研究的热点【1 0 】【l l 】。国际上有很多著名的e d a 公司和一些科研院所已经开发了可以实现数模混合信号系统的行为级建模的 工具，如m e n t o rg r a p h i c s 公司的a d v a n c e m s i l 2 j 、s y n o p s y s 公司的v c s 和 c a d e n c e 公司的s p e c t r e 【”l 。这些工具可以很好的支持模拟硬件描述语言，实 现行为级建模。 本课题的研究内容是基于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 ) 研究如何实现模拟电路的行为级建模和行为 级的数模混合验证。 夺研究v e r i l o g a m s 语言的特点，如何利用v e r i l o g a m s 语言实现混合电路 行为级设计。 夺利用数模混合硬件描述语言，v 钉i l o g a m s ，实现电荷泵锁相环( c p p l l ， c h a r g ep u m pp h a s el o c k e dl o o p ) 的行为级建模，并验证各个模块的功能。 夺在锁相环行为级模型中加入相位抖动( p h a s ej i t t e r ) 和频率抖动( f r e q u e n c y j i t t e r ) 。 夺建立数模混合信号电路的仿真机制，把电荷泵锁相环模块和8 位m c u 联 合验证，研究混合验证需要注意的问题，和如何实现高速、快捷，但不失 精确性的混合信号行为级验证方法。 1 2 混合信号硬件描述语言 针对设计人员对数模混合信号硬件描述语言的需求，九十年代，出现了 在v e r i l o g 基础上扩展的v e r i l o g - a m s 和在v h d l 基础上扩展的v h d l a m s 两种数模混合信号硬件描述语言，并且它们有各自支持的仿真器。这两种语 言支持自上而下的数模混合电路设计流程，使混合电路的行为级描述成为可 能，简化了设计人员的繁重工作。而且，数，模混合硬件描述语言在模拟仿真 中引入了事件驱动模型，这种模拟事件驱动模型包含了来自数字部分的关于速 度和电容指标的信息1 1 4 】。 1 3v e r i o g a m s 语言概述 v e r i l o g - a m s 语言是由i e e e1 3 6 4 1 9 9 5v e r i l o g h d l 衍生而来的，它由o v i ( o p e nv c r i l o gi n t e r n a t i o a i ) 的模拟技术分小组提出，具体可参见v e r i l o g a m s 语言参考手册( l m r ) 【1 5 】。图1 2 表明了v e r i l o g a m s 的组成元素和结构。该 语言支持电学和非电学系统的描述，它通过n e t s 、n o d e s 、b r a n c h e s 和p o r t s 的 概念作为术语，支持c o n s e r v a t i o n 和s i g n a l n o w 描述【16 1 。模拟模块的行为遵守 2 k i r c h h o f f 能量守恒定律( k p l ) 和k i r c h h o f f 电流守恒定律( k f l ) ，用一系列 与模拟的行为相关量( 例如电压和电流量) 来定义上述两个定律1 6 】。 图l 2v e r i l o g - a m s 语言结构 1 4v e ro g a m s 语言的功能 v e r i l o g a m sh d l 扩展了数字建模语言( i e e e l3 6 4 1 9 9 5v e r i l o gh d l ) 的 功能，提供了描述数字和模拟模块的统一功能。以下列出了v e r i l o g - a m s 语言 的一些显著的功能： 数字类型和模拟类型的信号可以在同一个模块中进行声明： i n i t i a l ，a l w a y s 和a n a l o g 进程模块可以出现在同一个程序功能块； 在同一个模块中，数字类型和模拟类型的信号值可以在任何环境( 模拟或 者数字环境) 中获取( 读操作) ； 数字信号的值可以在除了模拟程序功能块以外的任何环境中设定( 写操 作) ； i n i t i a l 和a l w a y s 功能块保留了i e e el3 6 4 2 0 0 lv e r i l o g h d l 中相同的语义， 而模拟功能块的语义参见v e r i l o g a m sl a n g u a g er e f e r e n c em a n u a l ，v e r s i o n 2 1 ： d i s c i p l i n e 声明扩展到数字信号； 一个新的结构，c o n n e c t 语句，自动添加到用户定义的用于连接模拟和数字 领域的模块。实现了模拟和数字模型之间直接连接，而不必考虑终端端口 类型； 如果层次化的连接是混合类型的，那么用户自定义的连接模型将自动添加， 执行信号值之间的转换； 它提供了一个自动的插入接口部分，从而模拟和数字模型可以直接的连接， 即使他们的终端端口类型不匹配。 1 5 本文的章节安排和主要内容 本文首先介绍了混合电路发展的历史和近况，以及未来研究的方向；介绍 了v e r i l o g - a m s 语言的基本功能。第二章分析了混合电路“自底而上”方法存在 的问题，并结合实际情况，研究了基于硬件描述语言的“自顶而下”设计方法。 第三章是全文的重点，在分析v e r i l o g a 语言和混合电路行为级建模方法的基 础上，实现了电荷泵锁相环的行为级模型。该行为级模型除了环路滤波器以外， 全部采用v e r i l o g a 语言实现。而且，在第三章，还研究了抖动的行为级建模， 成功的在电荷泵锁相环的行为级加入抖动模型。第四章是混合信号电路的行为 级验证和仿真，把电荷泵锁相环和一个8 位m c u 联合验证，实现了混合电路 在行为级的验证。第五章对数模混合设计和验证进行了总结，并进行了展望。 4 第二章混合电路。自顶而下”设计方法研究 2 1 传统数模混合电路“自底向上”设计方法 随着集成电路工艺的飞速发展和电子系统厂商更广泛的参与微电子产品 的设计，传统的数模混合电路设计方法和e d a 工具受到严峻的挑战。如图2 1 所示，由于面市时间压力和先进工艺与设计能力之间差距的推动，数，模混合 电路设计方法一方面向抽象设计层次( 系统级和行为级) 发展，另一方面更加 注重底层细节( 如信号完整性、功耗、电磁干扰等物理特性) 的描述【1 7 】。 图2 1 混合电路设计发展的动力和趋势 人们通常说的s o c ( s y s t e m o na c h i p ) 典型结构如图2 2 【2 0 1 所示，它包含 数字和模拟电路，但主要是数字部分，包括处理器、存储器、外部接口和相应 的嵌入软件56 1 。 图2 2 数字电路为主的s o c 示例 然而，随着通讯技术和多媒体消费电子技术的发展，人们在图2 2 系统中 添加了很多模拟和射频功能块，逐渐形成了有别于前面以数字电路为主的 s o c ，形成了数模混合系统芯片( d m s - s o c ，d i g i t a l m i x e d s i g n a ls y s t e mo na c h i p ) 。c a d e n c e 公司把d m s s o c 定义为：包含复杂的数字处理器、存储器和 高性能的模拟、混合信号功能块的系统芯片，它的典型特点是包含数以百万的 数字逻辑门和高性能的模拟混合信号部分【2 1 】 a s l cn 9 8 0 s s o c 1 9 9 0 对 w m s - s o cq 0 0 0 曲 臣圜目 图2 - 3s o c 的发展历程 从图2 3 可以看出，数模混合系统芯片是近几年发展的潮流，有报告i 2 l j 指出，在2 0 0 2 年流片的所有芯片中，约有7 l 是数模混合系统芯片。 数模混合系统芯片的典型结构如图2 4 【2 0 1 所示，从图中可以看出，它最大 的特点是包括了复杂的模拟和混合电路部分。由于d m s s o c 涉及模拟与数字 之间接口的多次信号反馈，包含很多不同于数字系统芯片的特点，因此 d m s s o c 系统需要发展新的设计方法，而不是简单的在原有的设计方法基础 上的补充。 图2 4d ，m s - s o c 示例 2 1 1 传统的“自底而上”设计方法 传统的混合电路设计采用“自底而上”( b o t t o m u p ) 的设计方法，这种方法 是从单个独立的模块设计开始，然后再把所有单独的部分组织成一个整体的系 6 统【l ”，也就是说模拟部分和数字部分是单独设计，然后再接合到一个系统中。 另外，在“自底而上”设计方法中每个模块不是放在整个设计环境中进行验证， 而是单独验证的【l ”。虽然我们最终会把所有的模块联合起来进行验证，但是 这时的联合验证只是晶体管级的联合验证【l ”，无法在更高的层次( 系统级和 行为级) 进行混合验证。 在数模混合电路验证方面，传统上模拟部分和数字部分是分开验证的【1 8 】。 如图2 5 所示，对于数字部分，主要采用各种数字逻辑仿真器进行验证：对于 模拟部分，只是在晶体管级、版图级层次进行验证，目前验证的主要工具是 s p i c e 及其基于s p i c e 的仿真器i ”j 。 在数模混合电路设计方面，模拟电路采用s p i c e 语言建模。s p i c e 语言 是一种结构级描述语言【”】。s p i c e 模拟器的元件模型包含在程序中，元件的行 为描述隐含在已定义的模型中，电路设计只能采用这些基本元件或由基本元件 组成的宏模型，不能由用户自行定义。 传统的“自底而上”设计方法已经存在了很长的时间，主要是因为以前的混 合电路设计以小型设计为主，设计规模没有像现在这么庞大和复杂，传统的设 计已经可以满足当时设计的要求。 但是随着电路规模的扩大，数模混合电路这种采用预定义的底层元件， 以“自底而上”方式建模的方法，需要占用大量的c p u 时间，难以满足快速验 证的要求。而且数模混合验证仿真时，传统的方法是采用两个独立的仿真器， 这样很难分析模拟和数字元件之间的彼此影响，不利于整体性能的提高。 厂、 1 - a y se ( e n a b l e ) b e g “ 竺1 v a l i d ( = 1 b 0 ： ，a d d r _ l i n e s ( = a d d r ： ：l 磊黠的设计方法 d a t a l i n e s ( 2d a t a ： e n d k 、 1 、 ，十 自上而下设计方法 - 从叻。s 进行细化 - fp u 叫 f 数字电路设计1 一 ， 图2 5 模拟和数字采用不同设计方法的传统混合电路 2 1 2 “自底而上”设计方法存在的问题 传统的“自底而上”设计方法适用于小型设计，对于大规模的设计，经验告 诉我们，这种设计方法在设计过程中存在严重不足，具体表现如下【1 4 】： 验证耗时长，花费巨大。因为最终的验证是在晶体管级的验证，所以验证花 费的时间很长，而且验证的难度成倍增加。有时需要依靠削减验证的数量 来满足验证时间和计算机资源的要求。 不利于芯片整体性能的把握。因为复杂设计中的关键因素，例如，性能、 成本、功能等只有在系统级才能得到体现。然而，“自底而上”设计方法很 难体现系统级的特性，因此，产品的整体性能很难提高。 “自底而上”设计方法不符合验证理论中的“尽早发现原则”，无法在设计早 期发现错误。例如，如果我们在系统最终集成时才发现某个模块有错误， 那么这时对该模块的修改将意味着重新设计这个模块，不仅花费巨大，而 且造成了整个项目的延期。 “自底而上”设计方法对人员的限制条件较多。由于“自底而上”设计方法需 要连续的工作，因此需要更多的设计人员，而且要求设计人员在同一地点 共同工作，不利于人员之间的分层管理。 2 2 混合电路“自顶而下”设计方法 为了克服“自底而上”方法存在的问题，设计者提出了新的设计方法一“自 顶而下”设计方法。在一个基本的“自顶而下”设计方法中，芯片的结构被定义 为功能块的图标并且使用m s h d l ( 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 n l a n g u a g e ) 仿真器或者系统仿真器进行仿真和优化【1 4 】。在高层次的仿真时，可 以得到每个电路功能块的设计规约。然后再根据这个规约单独设计功能块，以 满足设计规约。最后，整个芯片流片并验证是否满足最初的设计要求。 “自顶而下”设计方法的主要思想是从行为描述到版图实现的每个层次的 扩展约束，在每一级设计层次上的永久性约束被映射成下一级设计层次关于参 数的约束。图2 6 是基于混合信号硬件描述语言的数，模混合“自顶而下”设计方 法流程图，从图中可以看出，“自顶而下”设计方法和以前设计方法的区别主要 有两方面：其一是模拟模块采用了行为级、电路级、晶体管级的“自上向下” 的设计方法，需要使用混合信号硬件描述语言对模拟模块进行行为级建模；其 二是增加了在行为级、电路级和版图级的数模混合验证。 图2 6 混合电路“自顶而下”设计方法流程图 2 2 1 “自顶而下”设计方法需要考虑的问题 混合电路设计通常采用“自顶而下”的设计方法，主要包括系统级设计、行 为级设计、电路级设计、物理实现、物理验证和最终验证【2 0 1 。在混合信号s o c 设计中，特别需要考虑的问题有描述方式、设计复用和r f 单元设计等问题。 ( 1 ) 描述方式 混合电路设计中，采用适当的描述方式是非常重要的。混合信号硬件描 述语言( m s h d l ) 的推出，不仅有利于混合电路在单一设计流程中实现，而 且把事件驱动( e v e n t d r i v e n ) 的思想引入了模拟电路仿真，从而提高了混合设 计的自动化程度。目前，m s h d l 主要是v e r i l o g a m s 和v h d l a m s 两种语 言，而且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 厂商已经推出了支持 9 这两种语言的编译器和仿真器。 v e r i l o g 。a m s 是、b r i l o g h d l 和v e f i l o g a 的超集，它结合、恼i l o g h d l 的 事件驱动模型和v j r i l o g a 的连续时间模型，可以有效的建立混合信号的行为 级模型。其次，它还提供自动接口元件插入，以实现不同类型端口的相互连接。 另外，它还支持实值事件驱动网络和交叉寄生参数反向注释。 v h d l a m s 是在v h d l 的事件驱动模型的基础上增加了连续的时间模 型。它支持建立混合信号行为级模型，但不支持自动接口元件插入，这使得其 对混合电路仿真的支持存在一定的问题。 ( 2 ) 设计复用 随着设计需求的不断增长，设计者开发产品的复杂度也呈指数增长，于是 人们通过设计复用来减少设计的难度并提高设计效率。设计复用的最终目标是 建立一个包含软硬件模块的资源库，该库的模块包含各个层次( 从物理层到行 为层) 的描述。m s h d l 语言的出现，使物理描述层次和系统描述层次有效的 分开，当工艺改进时，系统描述仍然有效，达到设计复用的目标。最新的进展 表明，混合信号硬件描述语言的标准化，使模拟i p 核化及其流通成为可能， 推动了设计复用的实现。 ( 3 ) r f 单元的设计 随着无线通讯技术的飞速发展，r f 电路成为人们关注的一个焦点。混合 设计中，r f 模块的加入会对整个设计产生极大的影响。首先，r f 电路通常工 作在1 5 g h z 的频率上，携带r f 信号的线路必须短且避免相互干扰。在混合 s o c 的布局、布线和封装过程中，应充分考虑r f 功能块的各个特点。其次， r f 线路容易受数字模块的信号干扰，目前，接收机输入的信号可以小到l “v 。 任何通过电源、交叉连接或封装引起的耦合干扰都会影响接收机的灵敏度，因 此，建立标准的模拟预测和仿真是非常重要的。最后，因为r f 模块的发射部 分对低频信号进行高频调制，其电路级仿真的开销很大。一种可能的解决办法 是用r f 仿真器提取r f 模块的宏模型，并在a m s ( a n a l o gm i x e d - s i g n a l ) 仿 真器中进行高效的评估。 ( 4 ) 约束条件管理 混合电路设计中，各种约束的设定和管理对保证设计过程的连续性非常关 键。这是因为混合电路设计在不同的设计阶段采用不同层次的抽象，使用不同 的模块，因此各种约束条件的设定和管理对整个设计过程的连续性非常关键。 理想的约束管理系统应该具有以下的特征【2 0 ：( 1 ) 能够以一致的方式处理不 同类型的约束条件，包括整体设计约束、电气特性约束及物理特性约束。( 2 ) l o 必须提供各类约束条件之间相互方便转化的途径，包括模拟到数字和数字到模 拟的相互映射【2 2 1 ，可以通过噪声约束产生交叉耦合限定。( 3 ) 能够进行一致 性检查，从而验证约束条件的有效性并尽可能尽早的避免不合理的约束。( 4 ) 能够提供约束条件的分析和验证工具，以测试和评估约束的性能。 ( 5 ) 混合测试 混合电路设计中，统一的测试一直是重要的研究方向。传统上，模拟部 分和数字部分是分开进行测试的。这种测试方法不仅缺乏系统性，也影响最终 的产品成本和推出时间。设计人员认为，开发支持m s h d l 语言的、具有统 一数模混合接口的测试工具将能很好的解决混合测试问题2 0 1 。 2 2 2 “自顶而下”设计方法流程 混合电路设计通常采用“自顶而下”的设计方法，主要包括系统级设计、行 为级设计、电路级设计、物理实现、物理验证和最终验证。“自顶而下”设计方 法的优点在于优化全局性能，提高设计日程的可测性，便于协调各级设计人员 之间的工作。其缺点在于设计流程的严格控制和设计者需要熟练掌握m s h d l 语言。下面将对设计流程的每个步骤详细讲解。 2 2 2 1 系统级设计 系统设计一般是由系统工程师完成，其主要目标是寻找合适的算法和结 构，从而在满足所需功能的前提下实现最小成本。该阶段设计通常使用各类系 统级仿真工具( 如m a t l a b 、s p w ) 来仿真和评估算法。当算法确定后，系 统工程师需要将其映射为特定的结构，以利于电路级设计和每个模块在整体环 境中的验证。 s o c 设计中，由于算法设计工具和结构设计工具存在不一致性的问题，因 此算法向结构的映射存在着设计的不连续性。在数字设计领域，已经出现了如 s p w 、v c c 等设计工具，它可以提供算法到结构的转换。而在混合信号系统 芯片设计中，类似的工具尚未出现。混合信号硬件描述语言( 如v e r i i o g a m s 、 v h d l a m s ) 以其精确的接口模型和支持混合仿真，正在逐渐被广泛用于混 合芯片系统级设计。 2 2 2 2 行为级设计 系统级设计继续细化，将进入行为级设计阶段。数模混合电路的行为级 描述同样可以使用v e r i l o g - a m s ( 或v h d l - a m s ) 语言实现。数字功能块由 v e r i i o g ( 或v h d l ) 语言描述，模拟功能块由v e r i l o g a ( 或v h d l - a ) 语言 描述行为级模型。 在行为级实现数模混合设计有如下优点【23 】： ( 1 ) 设计描述采用的硬件描述语言，多数是基于数学方程的【2 4 】【25 1 ，可以 追踪设计者的思想，直接表示输入输出端口之间的对应关系，没有内部节点， 降低设计的复杂度【2 “。采用“自顶而下”的设计方法，可以节省计算机资源，提 高仿真速度，是大规模复杂设计实施前验证设计思想、进行设计方案选择的有 效方法，在进行低层次( 电路级和版图级) 的设计前得到一个优化的设计，使 复杂设计得以快速实现。 ( 2 ) 采用硬件描述语言建模，模型独立于模拟器。模拟器仅是一种数学运 算工具【2 7 】，设计不再局限于库中已有的元件，给设计者提供相当大的设计自 由度。行为级模型并不意味着降低精度，模型的精度与采用的模型方程有关， 可以详细，可以精练，只要模型能够用语言的描述规划进行描述，设计者可以 创立任何所希望的虚拟模型1 2 。 ( 3 ) 由于设计规模和复杂性的增加，应尽可能利用已有的设计【2 9 l 。采用 m s h d l 语言建立模型，有利于模型的复用、交换和资源共享等【3 0 】【3 ”。 ( 4 ) 模拟系统行为级