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详解模拟和数模混合集成电路的设计流程

助工
2020-02-25 23:04:54    评分

早在20世纪80年代初期,就有人预言模拟电路即将消失。当时,数字信号处理算法的功能日益增强,而VLSI技术的发展又使得在一块芯片上集成数百万、上千万个晶体管成为可能。由于这些算法可以在硅片上紧凑而有效的实现,所以许多传统上采用模拟电路形式来实现的功能很容易在数字领域内完成,例如,数字音频和无线蜂窝电话。

完成一个模拟集成电路的设计,需要多个步骤,具体包括:①规格定义;②电路结构选择以及工艺确定;③具体电路设计;④电路仿真;⑤版图设计;⑥版图验证;⑦后仿真。混合信号集成电路设计对数字电路和模拟电路做整体上的考虑以及验证,这将面临许多挑战和困难。

传统的混合信号集成电路设计是采用有底向上的方法,用SPICE 等电路仿真器对混合电路中的模拟元件进行设计,用数字电路仿真器对数字电路部分进行仿真。然后通过手工建立网表,对数字和模拟电路的协同工作进行设计验证。

然而,模拟电路和数字电路之间协同工作的验证比较困难,因此用这种传统设计方法仿真和验证整个混合电路系统既费时,又不精确,特别对于复杂度越来越大的系统而言,这种缺陷更显突出。

随着EDA 技术的飞速发展,混合信号集成电路设计推进到了自顶向下的设计流程。该流程同数字系统自顶向下的流程相似,但与纯数字系统的结构有所不同,这是因为混合系统模拟部分仍然需要自底向上的设计,需要更多的时间和丰富的知识与经验。因此,研究如何采用通用的设计方法和共有的约束与资源来建立混合系统,是十分有价值的。

混合信号集成电路的基本设计流程主要包括设计规划、系统级设计、模拟电路/数字电路划分、电路级设计与仿真、版图级设计与仿真等。研究和开发混合信号集成电路首先应从市场需求出发,选定一个研究开发的目标,然后确定混合信号集成电路的系统定义、系统指标,在此基础上开发和选择合适的算法。

当算法确定后,将其映射成特定的结构,以利于线路设计及对各模块进行整体验证。此时,混合信号集成电路的系统功能行为与非功能约束都要被详细说明。另外考虑到电路的混合特性,电路必须要以不同类型的方式来规范,使用连续时变和离散时变的方式来处理,可以采用方框图结构形式将其分开。

详解模拟和数模混合集成电路的设计流程

目前设计者常采用Matlab、C语言、SystemC、SPW 等软件进行系统设计。Matlab在算法工程师中应用极广,作为DSP算法的首选开发工具,它拥有很大的用户群。SystemC是一种专为集成电路系统设计而开发的语言,SPW是应用最广的系统级设计工具,在通信、视频等领域应用很多。

在这个阶段,需要根据电路的功能将模拟电路和数字电路划分开来。数字电路用来处理离散的信号,模拟电路则处理连续的信号。

电路可以通过具体的元器件,例如,运算放大器、晶体管、电容器、逻辑门等来表征。混合信号集成电路包括数字和模拟两部分,其中模拟电路一般全定制设计,采用自底向上的设计流程,进行全定制版图设计、验证、仿真;数字电路一般采用自顶向下的设计流程,进行寄存器传输级描述、寄存器传输级仿真、测试、综合、门级仿真。然后,将两种电路放在混合信号验证平台中进行混合仿真。

这种混合仿真可以是寄存器传输级的数字电路与晶体管级的模拟电路的混合仿真,也可以是门级或晶体管级的数字电路与模拟电路的混合仿真。目前设计者主要采用由Mentor Graphics、Synopsys 和Cadence 三大EDA 工具供应商提供的模拟和混合信号工具和技术进行混合仿真。

在这两个阶段,将整合后的电路级设计,结合相关物理实现工艺,进行对相关模拟电路和数字电路的版图设计、设计规则检查、版图验证、寄生参数提取等工作。之后通过相关的混合信号验证平台对整个系统进行混合信号电路的后仿真。在后仿真完成后,就可以将几何数据标准(GDSII)格式的文件送到制板厂做掩膜板,制作完成后便可上流水线流片。




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