混合信号电路设计技术研究

摘 要：本文针对航天电子系统小型化发展的特殊要求，提出在星载电子系统中进行混合信号电路设计，重点探讨了混合信号电路设计技术所面临的问题及其对策，并以星载计算机的下行信道设计为例，对航天微电子系统的混合信号设计进行了初步探索。
关键词： 系统级芯片；混合信号；设计流程；IP核

引言
航天市场的需求带动了卫星技术的发展，微型、纳型甚至皮型卫星的研究已成为航天技术研究的热点。微电子技术、系统集成技术、微机电技术、微组装技术以及轻型结构材料技术的发展使得卫星进一步小型化成为可能。从星载电子系统方面来说，进行星上微电子一体化设计可以从技术上较好地满足当前和今后较长时间卫星的应用需求，可以从实施上满足“更省、更快、更好”的项目要求。在这种情况下，进行混合信号电路设计技术的研究是十分必要的。

混合信号电路设计研究难点和关键技术
在混合信号电路设计中，需要特别考虑的问题有模拟信号电路设计、混合方式、约束管理、设计重用以及混合仿真和验证等技术，可以在这些问题的基础之上来确定混合信号电路设计流程。
模拟信号电路设计
与数字电路的设计相比，模拟信号设计显得十分复杂，它只能通过对电压和电流来加以描述，电压和电流又受负载条件的影响随时间不断变化。模拟信号电路设计终能否成功很大程度上依赖于设计者的经验、灵感、细心和耐性，忽略细微的实际因素(如元件参数偏差、分布参数)、接线紊乱等等都可能导致设计上正确却无法正常工作的电路。因此，模拟信号电路的设计困难是混合信号电路设计首先要解决的问题。
通过对数字逻辑电路设计的分析，人们试图从可编程模拟和EDA工具两方面着手：在可编程模拟方面，Lattice公司起步较早且成绩显著，他们推出的ispPAC系列允许设计者用片内放大器及无源器件对模拟滤波器进行现场配置；EDA公司也都在努力寻求对模拟以及混合信号设计仿真、综合的算法。因此，进行混合信号设计不再只是纸上谈兵，在不远的将来也可以像设计数字电路一样，利用混合信号描述语言进行描述,利用EDA工具进行仿真和综合,利用可编程器件进行验证等。
混合方式
采用何种混合方式进行混合信号设计至关重要，它关系到设计的可实现性、各种内核之间混合信号的边界问题以及EDA工具的选择。目前混合信号电路的混合方式极其复杂，人们可以采用行为级数字信号和晶体管级模拟信号相混合的方式，也可以采用HDL语言驱动的数字信号和逻辑原理图驱动的模拟信号相混合的方式，这就要求EDA工具必须提供开放的仿真环境。而目前能提供这种开放式仿真环境的EDA工具还不多，也不完善，因此，混合方式的选择显得尤为重要。
约束管理
一般常用的约束条件有物理特性约束和电气特性约束。由于混合信号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。约束管理系统必须满足以下特征：必须以统一的格式来管理不同类型的约束条件；约束性能必须是可验证和可评估的，这就意味着分析和验证工具必须能达到验证的度；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，可以通过噪声约束产生交叉耦合限定；必须能够对约束条件的有效性和可执行规范进行一致性验证，并尽可能早地避免不合理的约束。
设计重用
采用设计重用(Reuse)技术和IP核复用技术可以减轻设计难度，提高设计效率。设计重用的目的就是建立一个包含不同设计层次(如物理层和系统层)的软硬件模块资源库，当修改物理层描述时系统层描述仍然有效。此外，选择IP核时必须注意它的功能指标、接口、各IP核工艺与电参数的相容性，同时还要尽量降低开发成本和产品成本。开发和选择了IP核后还要反复做系统仿真和修正，才能确定混合信号电路的体系结构。
混合仿真和验证
以前的设计中混合仿真和验证的启动都比较晚，在进行仿真和验证时不仅模拟部分与数字部分是分开的，而且各个设计模块也是分开的，这种方法不仅缺乏系统性，而且会影响产品的终上市时间。利用HDL仿真器的数字电路设计师，面临模拟电路行为的增长却苦于模型和仿真的不足；而利用SPICE或者FastSPICE 的模拟工程师，面临数字复杂度和规模的增大，却苦于仿真速度过慢。因此，能够支持MS-HDL语言、统一数/模接口的EDA仿真工具成为设计师的必需。Mentor Graphics的ADMS软件已经成为混合信号验证解决方案的佼佼者。

混合信号电路设计流程
通过对混合信号电路设计难点和关键技术的讨论，制定的设计流程如图1所示，它以系统级设计、电路级设计及IP整合、物理实现和终验证作为主线，同时在每个环节几乎都要考虑可测性设计、可靠性分析、功耗分析等诸多因素并同时进行物理验证，形成一个螺旋式的流程。
研究和开发混合信号电路首先应从市场需要出发，选定一个研究开发的目标，然后确定混合信号电路的系统定义、系统指标，在此基础上开发和选择合适的算法，并进行合理的算法划分。当算法确定后，系统工程师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。

混合信号电路设计分析
星载计算机的下行信道如图2所示。下行信道处理模块对由MPU送出的遥测数据进行并串转换、加随机化(可旁路)、加帧同步标志、卷积编码(可旁路)，输出符合遥测标准的遥测输出码流，进行副载波调制。通过输入不同频率的时钟脉冲，可以输出不同速率的码流。可以将随机化电路和卷积编码器去掉或旁路掉，余下的电路以串并转换模块和DPSK调制模块为主，仍可完成常规遥测下行处理的任务。该模块的构成不仅包括了数字信号电路(并串转换及时序控制电路)，而且包括了模拟信号电路(滤波及载波调制电路)，因此对该模块进行混合信号电路设计的研究具有代表性。
在该模块及与MPU模块接口电路的设计中应充分考虑在不同环境和要求下对遥测任务的适应能力，进行混合设计，使其具有较好的灵活性。数字部分采用16位并串转换模块，将总线上的数据按照相应的时钟转换成模拟开关的控制脉冲。模拟部分将同步时钟脉冲通过二阶无限增益多路反馈带通滤波器转换成相应周期的正弦波，一路直接接至模拟开关，另一路通过倒相器接至模拟开关。整个功能的完成需要的时钟分频电路和微调电路来保证。
首先可以通过数字可编程逻辑器件(如Altera公司的CPLD)来设计并串转换和时钟控制电路，用模拟可编程器件(如Lattice公司的ispPAC器件)来设计带通滤波和倒相电路。按照混合信号电路设计流程，再用Verilog-AMS语言对整个电路进行描述，用Mentor Graphics 公司的DA_IC软件进行电路模块设计，用ADMS工具进行混合信号的仿真，然后转化成相应的CMOS电路，并进行各类参数分析和功耗优化来满足后期设计要求，终产生出工艺厂家所需的电路网表。

结语
体积小型化、结构一体化、接口智能化、系统综合化、低功耗、高性能是商用电路系统和军用电路系统中共同追求的目标，从而也驱动电路设计工程师研究集成混合信号的解决方案。随着MS-HDL等语言的产生，以及各大EDA公司混合信号仿真软件的推出，混合信号设计必然会得到快速发展。■

参考文献
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.明导通讯，2004,2
3 高泰，周祖成．混合SoC设计．半导体技术，2002,2