混合信號電路設計技術研究

　　本文針對航天電子系統小型化發展的特殊要求，提出在星載電子系統中進行混合信號電路設計，重點探討了混合信號電路設計技術所面臨的問題及其對策，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行了初步探索。

　　關鍵詞： 系統級芯片；混合信號；設計流程；IP核

　　引言

　　航天市場的需求帶動了衛星技術的發展，微型、納型甚至皮型衛星的研究已成為航天技術研究的熱點。微電子技術、系統集成技術、微機電技術、微組裝技術以及輕型結構材料技術的發展使得衛星進一步小型化成為可能。從星載電子系統方面來說，進行星上微電子一體化設計可以從技術上較好地滿足當前和今后較長時間衛星的應用需求，可以從實施上滿足“更省、更快、更好”的項目要求。在這種情況下，進行混合信號電路設計技術的研究是十分必要的。

　　混合信號電路設計研究難點和關鍵技術

　　在混合信號電路設計中，需要特別考慮的問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，可以在這些問題的基礎之上來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，它只能通過對電壓和電流來加以描述，電壓和電流又受負載條件的影響隨時間不斷變化。模擬信號電路設計最終能否成功很大程度上依賴于設計者的經驗、靈感、細心和耐性，忽略細微的實際因素（如元件參數偏差、分布參數）、接線紊亂等等都可能導致設計上正確卻無法正常工作的電路。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題。

　　通過對數字邏輯電路設計的分析，人們試圖從可編程模擬和EDA工具兩方面著手：在可編程模擬方面，Lattice公司起步較早且成績顯著，他們推出的ispPAC系列允許設計者用片內放大器及無源器件對模擬濾波器進行現場配置；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，進行混合信號設計不再只是紙上談兵，在不遠的將來也可以像設計數字電路一樣，利用混合信號描述語言進行描述，利用EDA工具進行仿真和綜合，利用可編程器件進行驗證等。

　　混合方式

　　采用何種混合方式進行混合信號設計至關重要，它關系到設計的可實現性、各種內核之間混合信號的邊界問題以及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語言驅動的數字信號和邏輯原理圖驅動的模擬信號相混合的方式，這就要求EDA工具必須提供開放的仿真環境。而目前能提供這種開放式仿真環境的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設計過程的連續性非常關鍵。約束管理系統必須滿足以下特征：必須以統一的格式來管理不同類型的約束條件；約束性能必須是可驗證和可評估的，這就意味著分析和驗證工具必須能達到驗證的精確度；必須提供各類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，可以通過噪聲約束產生交叉耦合限定；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）技術和IP核復用技術可以減輕設計難度，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系統層描述仍然有效。此外，選擇IP核時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，同時還要盡量降低開發成本和產品成本。開發和選擇了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都比較晚，在進行仿真和驗證時不僅模擬部分與數字部分是分開的，而且各個設計模塊也是分開的，這種方法不僅缺乏系統性，而且會影響產品的最終上市時間。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，卻苦于仿真速度過慢。因此，能夠支持MS-HDL語言、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

　　通過對混合信號電路設計難點和關鍵技術的討論，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、物理實現和最終驗證作為主線，同時在每個環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進行物理驗證，形成一個螺旋式的流程。

　　研究和開發混合信號電路首先應從市場需要出發，選定一個研究開發的目標，然后確定混合信號電路的系統定義、系統指標，在此基礎上開發和選擇合適的算法，并進行合理的算法劃分。當算法確定后，系統工程師將其映射成特定的結構，以利于線路設計及對各模塊進行整體驗證。

　　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，最后進行副載波調制。通過輸入不同頻率的時鐘脈沖，可以輸出不同速率的碼流。可以將隨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。該模塊的構成不僅包括了數字信號電路（并串轉換及時序控制電路），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境和要求下對遙測任務的適應能力，進行混合設計，使其具有較好的靈活性。數字部分采用16位并串轉換模塊，將總線上的數據按照相應的時鐘轉換成模擬開關的控制脈沖。模擬部分將同步時鐘脈沖通過二階無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關，另一路通過倒相器接至模擬開關。整個功能的完成需要精確的時鐘分頻電路和微調電路來保證。

　　首先可以通過數字可編程邏輯器件（如Altera公司的CPLD）來設計并串轉換和時鐘控制電路，用模擬可編程器件（如Lattice公司的ispPAC器件）來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語言對整個電路進行描述，用Mentor Graphics 公司的DA_IC軟件進行電路模塊設計，用ADMS工具進行混合信號的仿真，然后轉化成相應的CMOS電路，并進行各類參數分析和功耗優化來滿足后期設計要求，最終產生出工藝廠家所需的電路網表。

　　結語

　　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，從而也驅動電路設計工程師研究集成混合信號的解決方案。隨著MS-HDL等語言的產生，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得到快速發展。

　　參考文獻

　　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.明導通訊，2004，2

　　3 高泰，周祖成．混合SoC設計．半導體技術，2002，2