混合信號電路設計技術(shù)研究

摘    要：本文針對航天電子系統小型化發(fā)展的特殊要求，提出在星載電子系統中進(jìn)行混合信號電路設計，重點(diǎn)探討了混合信號電路設計技術(shù)所面臨的問(wèn)題及其對策，并以星載計算機的下行信道設計為例，對航天微電子系統的混合信號設計進(jìn)行了初步探索。
關(guān)鍵詞： 系統級芯片；混合信號；設計流程；IP核

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

混合信號電路設計研究難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)
在混合信號電路設計中，需要特別考慮的問(wèn)題有模擬信號電路設計、混合方式、約束管理、設計重用以及混合仿真和驗證等技術(shù)，可以在這些問(wèn)題的基礎之上來(lái)確定混合信號電路設計流程。
模擬信號電路設計
與數字電路的設計相比，模擬信號設計顯得十分復雜，它只能通過(guò)對電壓和電流來(lái)加以描述，電壓和電流又受負載條件的影響隨時(shí)間不斷變化。模擬信號電路設計最終能否成功很大程度上依賴(lài)于設計者的經(jīng)驗、靈感、細心和耐性，忽略細微的實(shí)際因素(如元件參數偏差、分布參數)、接線(xiàn)紊亂等等都可能導致設計上正確卻無(wú)法正常工作的電路。因此，模擬信號電路的設計困難是混合信號電路設計首先要解決的問(wèn)題。
通過(guò)對數字邏輯電路設計的分析，人們試圖從可編程模擬和EDA工具兩方面著(zhù)手：在可編程模擬方面，Lattice公司起步較早且成績(jì)顯著(zhù)，他們推出的ispPAC系列允許設計者用片內放大器及無(wú)源器件對模擬濾波器進(jìn)行現場(chǎng)配置；EDA公司也都在努力尋求對模擬以及混合信號設計仿真、綜合的最佳算法。因此，進(jìn)行混合信號設計不再只是紙上談兵，在不遠的將來(lái)也可以像設計數字電路一樣，利用混合信號描述語(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)行驗證等。
混合方式
采用何種混合方式進(jìn)行混合信號設計至關(guān)重要，它關(guān)系到設計的可實(shí)現性、各種內核之間混合信號的邊界問(wèn)題以及EDA工具的選擇。目前混合信號電路的混合方式極其復雜，人們可以采用行為級數字信號和晶體管級模擬信號相混合的方式，也可以采用HDL語(yǔ)言驅動(dòng)的數字信號和邏輯原理圖驅動(dòng)的模擬信號相混合的方式，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。由于混合信號電路設計在不同的設計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定和管理對整個(gè)設計過(guò)程的連續性非常關(guān)鍵。約束管理系統必須滿(mǎn)足以下特征：必須以統一的格式來(lái)管理不同類(lèi)型的約束條件；約束性能必須是可驗證和可評估的，這就意味著(zhù)分析和驗證工具必須能達到驗證的精確度；必須提供各類(lèi)約束條件之間相互方便轉化的途徑，包括模擬到數字和數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；必須能夠對約束條件的有效性和可執行規范進(jìn)行一致性驗證，并盡可能早地避免不合理的約束。
設計重用
采用設計重用(Reuse)技術(shù)和IP核復用技術(shù)可以減輕設計難度，提高設計效率。設計重用的目的就是建立一個(gè)包含不同設計層次(如物理層和系統層)的軟硬件模塊資源庫，當修改物理層描述時(shí)系統層描述仍然有效。此外，選擇IP核時(shí)必須注意它的功能指標、接口、各IP核工藝與電參數的相容性，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核后還要反復做系統仿真和修正，最后才能確定混合信號電路的體系結構。
混合仿真和驗證
以前的設計中混合仿真和驗證的啟動(dòng)都比較晚，在進(jìn)行仿真和驗證時(shí)不僅模擬部分與數字部分是分開(kāi)的，而且各個(gè)設計模塊也是分開(kāi)的，這種方法不僅缺乏系統性，而且會(huì )影響產(chǎn)品的最終上市時(shí)間。利用HDL仿真器的數字電路設計師，面臨模擬電路行為的增長(cháng)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，面臨數字復雜度和規模的增大，卻苦于仿真速度過(guò)慢。因此，能夠支持MS-HDL語(yǔ)言、統一數/模接口的EDA仿真工具成為設計師的必需。Mentor Graphics的ADMS軟件已經(jīng)成為混合信號驗證解決方案的佼佼者。

混合信號電路設計流程
通過(guò)對混合信號電路設計難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)的討論，制定的設計流程如圖1所示，它以系統級設計、電路級設計及IP整合、物理實(shí)現和最終驗證作為主線(xiàn)，同時(shí)在每個(gè)環(huán)節幾乎都要考慮可測性設計、可靠性分析、功耗分析等諸多因素并同時(shí)進(jìn)行物理驗證，形成一個(gè)螺旋式的流程。
研究和開(kāi)發(fā)混合信號電路首先應從市場(chǎng)需要出發(fā)，選定一個(gè)研究開(kāi)發(fā)的目標，然后確定混合信號電路的系統定義、系統指標，在此基礎上開(kāi)發(fā)和選擇合適的算法，并進(jìn)行合理的算法劃分。當算法確定后，系統工程師將其映射成特定的結構，以利于線(xiàn)路設計及對各模塊進(jìn)行整體驗證。

混合信號電路設計案例分析
星載計算機的下行信道如圖2所示。下行信道處理模塊對由MPU送出的遙測數據進(jìn)行并串轉換、加隨機化(可旁路)、加幀同步標志、卷積編碼(可旁路)，輸出符合遙測標準的遙測輸出碼流，最后進(jìn)行副載波調制。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機化電路和卷積編碼器去掉或旁路掉，余下的電路以串并轉換模塊和DPSK調制模塊為主，仍可完成常規遙測下行處理的任務(wù)。該模塊的構成不僅包括了數字信號電路(并串轉換及時(shí)序控制電路)，而且包括了模擬信號電路(濾波及載波調制電路)，因此對該模塊進(jìn)行混合信號電路設計的研究具有代表性。
在該模塊及與MPU模塊接口電路的設計中應充分考慮在不同環(huán)境和要求下對遙測任務(wù)的適應能力，進(jìn)行混合設計，使其具有較好的靈活性。數字部分采用16位并串轉換模塊，將總線(xiàn)上的數據按照相應的時(shí)鐘轉換成模擬開(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換成相應周期的正弦波，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)鐘分頻電路和微調電路來(lái)保證。
首先可以通過(guò)數字可編程邏輯器件(如Altera公司的CPLD)來(lái)設計并串轉換和時(shí)鐘控制電路，用模擬可編程器件(如Lattice公司的ispPAC器件)來(lái)設計帶通濾波和倒相電路。按照混合信號電路設計流程，再用Verilog-AMS語(yǔ)言對整個(gè)電路進(jìn)行描述，用Mentor Graphics 公司的DA_IC軟件進(jìn)行電路模塊設計，用ADMS工具進(jìn)行混合信號的仿真，然后轉化成相應的CMOS電路，并進(jìn)行各類(lèi)參數分析和功耗優(yōu)化來(lái)滿(mǎn)足后期設計要求，最終產(chǎn)生出工藝廠(chǎng)家所需的電路網(wǎng)表。

結語(yǔ)
體積小型化、結構一體化、接口智能化、系統綜合化、低功耗、高性能是商用電路系統和軍用電路系統中共同追求的目標，從而也驅動(dòng)電路設計工程師研究集成混合信號的解決方案。隨著(zhù)MS-HDL等語(yǔ)言的產(chǎn)生，以及各大EDA公司混合信號仿真軟件的推出，混合信號設計必然會(huì )得到快速發(fā)展?！?/p>

參考文獻
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