混合信號(hào)電路設(shè)計(jì)技術(shù)研究

摘    要：本文針對(duì)航天電子系統(tǒng)小型化發(fā)展的特殊要求，提出在星載電子系統(tǒng)中進(jìn)行混合信號(hào)電路設(shè)計(jì)，重點(diǎn)探討了混合信號(hào)電路設(shè)計(jì)技術(shù)所面臨的問(wèn)題及其對(duì)策，并以星載計(jì)算機(jī)的下行信道設(shè)計(jì)為例，對(duì)航天微電子系統(tǒng)的混合信號(hào)設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步探索。
關(guān)鍵詞： 系統(tǒng)級(jí)芯片；混合信號(hào)；設(shè)計(jì)流程；IP核

引言
航天市場(chǎng)的需求帶動(dòng)了衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，微型、納型甚至皮型衛(wèi)星的研究已成為航天技術(shù)研究的熱點(diǎn)。微電子技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)、微機(jī)電技術(shù)、微組裝技術(shù)以及輕型結(jié)構(gòu)材料技術(shù)的發(fā)展使得衛(wèi)星進(jìn)一步小型化成為可能。從星載電子系統(tǒng)方面來(lái)說(shuō)，進(jìn)行星上微電子一體化設(shè)計(jì)可以從技術(shù)上較好地滿足當(dāng)前和今后較長(zhǎng)時(shí)間衛(wèi)星的應(yīng)用需求，可以從實(shí)施上滿足“更省、更快、更好”的項(xiàng)目要求。在這種情況下，進(jìn)行混合信號(hào)電路設(shè)計(jì)技術(shù)的研究是十分必要的。

混合信號(hào)電路設(shè)計(jì)研究難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)
在混合信號(hào)電路設(shè)計(jì)中，需要特別考慮的問(wèn)題有模擬信號(hào)電路設(shè)計(jì)、混合方式、約束管理、設(shè)計(jì)重用以及混合仿真和驗(yàn)證等技術(shù)，可以在這些問(wèn)題的基礎(chǔ)之上來(lái)確定混合信號(hào)電路設(shè)計(jì)流程。
模擬信號(hào)電路設(shè)計(jì)
與數(shù)字電路的設(shè)計(jì)相比，模擬信號(hào)設(shè)計(jì)顯得十分復(fù)雜，它只能通過(guò)對(duì)電壓和電流來(lái)加以描述，電壓和電流又受負(fù)載條件的影響隨時(shí)間不斷變化。模擬信號(hào)電路設(shè)計(jì)最終能否成功很大程度上依賴于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)、靈感、細(xì)心和耐性，忽略細(xì)微的實(shí)際因素(如元件參數(shù)偏差、分布參數(shù))、接線紊亂等等都可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)上正確卻無(wú)法正常工作的電路。因此，模擬信號(hào)電路的設(shè)計(jì)困難是混合信號(hào)電路設(shè)計(jì)首先要解決的問(wèn)題。
通過(guò)對(duì)數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)的分析，人們?cè)噲D從可編程模擬和EDA工具兩方面著手：在可編程模擬方面，Lattice公司起步較早且成績(jī)顯著，他們推出的ispPAC系列允許設(shè)計(jì)者用片內(nèi)放大器及無(wú)源器件對(duì)模擬濾波器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)配置；EDA公司也都在努力尋求對(duì)模擬以及混合信號(hào)設(shè)計(jì)仿真、綜合的最佳算法。因此，進(jìn)行混合信號(hào)設(shè)計(jì)不再只是紙上談兵，在不遠(yuǎn)的將來(lái)也可以像設(shè)計(jì)數(shù)字電路一樣，利用混合信號(hào)描述語(yǔ)言進(jìn)行描述,利用EDA工具進(jìn)行仿真和綜合,利用可編程器件進(jìn)行驗(yàn)證等。
混合方式
采用何種混合方式進(jìn)行混合信號(hào)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，它關(guān)系到設(shè)計(jì)的可實(shí)現(xiàn)性、各種內(nèi)核之間混合信號(hào)的邊界問(wèn)題以及EDA工具的選擇。目前混合信號(hào)電路的混合方式極其復(fù)雜，人們可以采用行為級(jí)數(shù)字信號(hào)和晶體管級(jí)模擬信號(hào)相混合的方式，也可以采用HDL語(yǔ)言驅(qū)動(dòng)的數(shù)字信號(hào)和邏輯原理圖驅(qū)動(dòng)的模擬信號(hào)相混合的方式，這就要求EDA工具必須提供開(kāi)放的仿真環(huán)境。而目前能提供這種開(kāi)放式仿真環(huán)境的EDA工具還不多，也不完善，因此，混合方式的選擇顯得尤為重要。
約束管理
一般常用的約束條件有物理特性約束和電氣特性約束。由于混合信號(hào)電路設(shè)計(jì)在不同的設(shè)計(jì)階段采用不同層次的抽象，使用不同的模塊，因此各種約束條件的設(shè)定和管理對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的連續(xù)性非常關(guān)鍵。約束管理系統(tǒng)必須滿足以下特征：必須以統(tǒng)一的格式來(lái)管理不同類型的約束條件；約束性能必須是可驗(yàn)證和可評(píng)估的，這就意味著分析和驗(yàn)證工具必須能達(dá)到驗(yàn)證的精確度；必須提供各類約束條件之間相互方便轉(zhuǎn)化的途徑，包括模擬到數(shù)字和數(shù)字到模擬的相互映射，可以通過(guò)噪聲約束產(chǎn)生交叉耦合限定；必須能夠?qū)s束條件的有效性和可執(zhí)行規(guī)范進(jìn)行一致性驗(yàn)證，并盡可能早地避免不合理的約束。
設(shè)計(jì)重用
采用設(shè)計(jì)重用(Reuse)技術(shù)和IP核復(fù)用技術(shù)可以減輕設(shè)計(jì)難度，提高設(shè)計(jì)效率。設(shè)計(jì)重用的目的就是建立一個(gè)包含不同設(shè)計(jì)層次(如物理層和系統(tǒng)層)的軟硬件模塊資源庫(kù)，當(dāng)修改物理層描述時(shí)系統(tǒng)層描述仍然有效。此外，選擇IP核時(shí)必須注意它的功能指標(biāo)、接口、各IP核工藝與電參數(shù)的相容性，同時(shí)還要盡量降低開(kāi)發(fā)成本和產(chǎn)品成本。開(kāi)發(fā)和選擇了IP核后還要反復(fù)做系統(tǒng)仿真和修正，最后才能確定混合信號(hào)電路的體系結(jié)構(gòu)。
混合仿真和驗(yàn)證
以前的設(shè)計(jì)中混合仿真和驗(yàn)證的啟動(dòng)都比較晚，在進(jìn)行仿真和驗(yàn)證時(shí)不僅模擬部分與數(shù)字部分是分開(kāi)的，而且各個(gè)設(shè)計(jì)模塊也是分開(kāi)的，這種方法不僅缺乏系統(tǒng)性，而且會(huì)影響產(chǎn)品的最終上市時(shí)間。利用HDL仿真器的數(shù)字電路設(shè)計(jì)師，面臨模擬電路行為的增長(zhǎng)卻苦于模型和仿真精度的不足；而利用SPICE或者FastSPICE 的模擬工程師，面臨數(shù)字復(fù)雜度和規(guī)模的增大，卻苦于仿真速度過(guò)慢。因此，能夠支持MS-HDL語(yǔ)言、統(tǒng)一數(shù)/模接口的EDA仿真工具成為設(shè)計(jì)師的必需。Mentor Graphics的ADMS軟件已經(jīng)成為混合信號(hào)驗(yàn)證解決方案的佼佼者。

混合信號(hào)電路設(shè)計(jì)流程
通過(guò)對(duì)混合信號(hào)電路設(shè)計(jì)難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)的討論，制定的設(shè)計(jì)流程如圖1所示，它以系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)、電路級(jí)設(shè)計(jì)及IP整合、物理實(shí)現(xiàn)和最終驗(yàn)證作為主線，同時(shí)在每個(gè)環(huán)節(jié)幾乎都要考慮可測(cè)性設(shè)計(jì)、可靠性分析、功耗分析等諸多因素并同時(shí)進(jìn)行物理驗(yàn)證，形成一個(gè)螺旋式的流程。
研究和開(kāi)發(fā)混合信號(hào)電路首先應(yīng)從市場(chǎng)需要出發(fā)，選定一個(gè)研究開(kāi)發(fā)的目標(biāo)，然后確定混合信號(hào)電路的系統(tǒng)定義、系統(tǒng)指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)和選擇合適的算法，并進(jìn)行合理的算法劃分。當(dāng)算法確定后，系統(tǒng)工程師將其映射成特定的結(jié)構(gòu)，以利于線路設(shè)計(jì)及對(duì)各模塊進(jìn)行整體驗(yàn)證。

混合信號(hào)電路設(shè)計(jì)案例分析
星載計(jì)算機(jī)的下行信道如圖2所示。下行信道處理模塊對(duì)由MPU送出的遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換、加隨機(jī)化(可旁路)、加幀同步標(biāo)志、卷積編碼(可旁路)，輸出符合遙測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的遙測(cè)輸出碼流，最后進(jìn)行副載波調(diào)制。通過(guò)輸入不同頻率的時(shí)鐘脈沖，可以輸出不同速率的碼流?？梢詫㈦S機(jī)化電路和卷積編碼器去掉或旁路掉，余下的電路以串并轉(zhuǎn)換模塊和DPSK調(diào)制模塊為主，仍可完成常規(guī)遙測(cè)下行處理的任務(wù)。該模塊的構(gòu)成不僅包括了數(shù)字信號(hào)電路(并串轉(zhuǎn)換及時(shí)序控制電路)，而且包括了模擬信號(hào)電路(濾波及載波調(diào)制電路)，因此對(duì)該模塊進(jìn)行混合信號(hào)電路設(shè)計(jì)的研究具有代表性。
在該模塊及與MPU模塊接口電路的設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮在不同環(huán)境和要求下對(duì)遙測(cè)任務(wù)的適應(yīng)能力，進(jìn)行混合設(shè)計(jì)，使其具有較好的靈活性。數(shù)字部分采用16位并串轉(zhuǎn)換模塊，將總線上的數(shù)據(jù)按照相應(yīng)的時(shí)鐘轉(zhuǎn)換成模擬開(kāi)關(guān)的控制脈沖。模擬部分將同步時(shí)鐘脈沖通過(guò)二階無(wú)限增益多路反饋帶通濾波器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)周期的正弦波，一路直接接至模擬開(kāi)關(guān)，另一路通過(guò)倒相器接至模擬開(kāi)關(guān)。整個(gè)功能的完成需要精確的時(shí)鐘分頻電路和微調(diào)電路來(lái)保證。
首先可以通過(guò)數(shù)字可編程邏輯器件(如Altera公司的CPLD)來(lái)設(shè)計(jì)并串轉(zhuǎn)換和時(shí)鐘控制電路，用模擬可編程器件(如Lattice公司的ispPAC器件)來(lái)設(shè)計(jì)帶通濾波和倒相電路。按照混合信號(hào)電路設(shè)計(jì)流程，再用Verilog-AMS語(yǔ)言對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行描述，用Mentor Graphics 公司的DA_IC軟件進(jìn)行電路模塊設(shè)計(jì)，用ADMS工具進(jìn)行混合信號(hào)的仿真，然后轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的CMOS電路，并進(jìn)行各類參數(shù)分析和功耗優(yōu)化來(lái)滿足后期設(shè)計(jì)要求，最終產(chǎn)生出工藝廠家所需的電路網(wǎng)表。

結(jié)語(yǔ)
體積小型化、結(jié)構(gòu)一體化、接口智能化、系統(tǒng)綜合化、低功耗、高性能是商用電路系統(tǒng)和軍用電路系統(tǒng)中共同追求的目標(biāo)，從而也驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)工程師研究集成混合信號(hào)的解決方案。隨著MS-HDL等語(yǔ)言的產(chǎn)生，以及各大EDA公司混合信號(hào)仿真軟件的推出，混合信號(hào)設(shè)計(jì)必然會(huì)得到快速發(fā)展?！?/p>

參考文獻(xiàn)
1 Kundert K. Design of mixed-signal systems-on-a-chip. IEEE Trans.  On Computed-Aided Design of Integrate Circuits and Systems, 2000,19(12)
2 Gen Chen .Speed up Mixed-Signal IC Design by using ADMS.明導(dǎo)通訊，2004,2
3 高泰，周祖成．混合SoC設(shè)計(jì)．半導(dǎo)體技術(shù)，2002,2