PCB混合信號仿真淺談

十多年來，電路與系統尺寸、復雜性和運行速度都得到了極大改進。隨著系統級芯片(SOC)應用增加，電子設計各部分與現實世界聯系更加緊密，因而對PCB數字和模擬信號仿真也提出了越來越多要求。

設計工程師所需考慮不僅僅是SOC，還須考慮同一系統內多個芯片如何通過多種技術協調配合來實現相應功能，因而除了混合信號之外，問題還涉及到光學、水力學、電機學、傳感器和激勵器等多種技術。

另外，知識產權(IP)使用方式也應予以考慮。過去，IP是以封裝好組件形式被設計工程師采用。對半導體設計工程師而言，它是一種晶體管級原始單元。現在，通過數字HDL(VHDL和Verilog)實現軟IP形式數字IP已經出現。

基于此，仿真技術采用不但能顯著提高設計質量，而且還可大大降低產品面市時間。在數字方面，Verilog和VHDL提供了很好從門級到行為級描述仿真和建模方案；在模擬方面，長期以來各種形式Spice已得到廣泛應用，但其主要缺點是無法滿足高級建模需求。

仿真標準問題在于業界標準太多， SOC和IP開發方式存在不同之處，設計人員可能需要掌握所有標準。盡管利用現有點解決方案，從仿真角度看，這個問題可以解決，但考慮到時間和手工劃分難度，這有可能是令人感到痛苦過程。利用開放結構產生單內核可為混合信號、混合語言以及支持系統設計混合級仿真環境創建提供一種理想解決方案。

混合信號問題

為了解決混合信號問題，大部分EDA供應商采用一種協同仿真方法，通過一個“底板”將仿真器連接起來。有些可支持多個仿真引擎連接，但大部分卻只能連接一個模擬仿真器和一個數字仿真器。盡管底板可提供兩個仿真器間同步功能，但該方法卻忽視了混合信號建模主要問題，迫使用戶人工地在兩個仿真器間進行混合信號模型劃分。Analogy公司采用與眾不同方法，通過創建一個包含了數字和模擬算法混合信號仿真內核，從而解決了內核混合信號邊界問題。

但任何事物都不會一成不變。真正混合信號語言標準，如VHDL-AMS和Verilog-AMS及其純數字版本，并不僅僅要求增加一個仿真器，而是需要一種新思維方式。任何實際解決方案都必須支持多種語言。設計者可從多種來源得到模型/設計且須將它們用于設計之中。當然，在一個底板上使用多個仿真引擎可以解決問題，但這樣成本很高。

解決這個問題佳方案是建立開放仿真環境，其內部有一個單核仿真引擎。采用這個方案，單一內核就能有效地解決設計中模擬和數字部分問題且使它們保持完全同步。然而，這個內核應該能夠支持多種描述語言，包括VHDL-AMS標準、Verilog-AMS、MAST和Spice等現有語言。它也應該便于新語言和標準相互配合。通過大學研究機構和專業三方公司積極參與，這種開放仿真環境不但可改進性能，而且也有助于保護以前投資。

采用一個單內核仿真引擎可支持多種語言，但是仍有問題，其中之一即是VHDL-AMS語言沒有對仿真算法實現作任何規定，而且好解決方案也需要時間點同步和信號接口以保持基本速度和精度優勢。

人們已嘗試利用各種方法來解決這一問題。一種方法是強制實施極小模擬時間步進(time-step)，以保證得到一個足以接近數字門輸入閾值模擬解，其*近程度可以由一個用戶誤差控制軟件(user error control)來設置。這個方法問題在于速度慢，因為仿真內核模擬部分有很高工作負荷，其取整誤差(rounding error)高，使得極限點很難精確*近。在高頻設計中，即使1ns誤差都是很大誤差。

二種方法是采用數字數學引擎來控制時間步進，而且強制模擬求解機(analog solver)為每一個數字事件求出一個答案。這一方法表明模擬方案不再是誤差有限或受時間步進預測控制，因而也不精確。而且采用這種方法也不可能用封閉反饋環對設計進行分析。對于高度反饋電路來說，往往需要在同一時間點上進行模擬和數字間重復迭代以得到正確結果。

時間后向跟蹤

有效方法是采用一種模擬時間后向跟蹤(backtracking)機理。如果模擬求解機檢測到它放過了一個重要數字點時，就放棄剛剛得到解，馬上返回到前一時間點以保證對正確同步點進行預測。

單內核方法還須能夠將轉換Hyper模型插入到模擬和數字間邊界，并可訪問現有模型擴展庫。但是除模型轉換之外，仿真器還需對邊界進行尋址，因為模型轉換時引入了額外延遲。

那些在混合信號設計中采用標準數字仿真器公司在處理這一額外延遲時會比較困難，因為只有調整標準數字算法才能解決問題。只有數字門開始變換后，轉換模型才開始工作。由于轉換模型是模擬轉換，信號具有時實上升沿，因而存在一個附加延遲。為了對這種情況進行校正，數字算法必須知道轉換模型工作狀況并調整其內部時延。

如前所述，與單內核同樣重要是一個開放結構。例如，Analog已經發布了其解決方案具體規范。AIRE擴展版本可用于將語言編譯器從其語言內核中分離出來。這將使得編譯技術復用成為可能，并且鼓勵新工具如系統設計語言開發，可由三方供應商在新內核之上實現。AIRE目前支持VHDL-AMS、MAST和Spice，將來它還會支持Verilog-AMS。有了應用編程接口(API)，它還有可能支持對仿真內核控制功能直接訪問，并支持其它仿真器編程接口標準，如Verilog's PLI 2.0。此外，其它工具如用于混合信號測試Testify、混合信號統計分析工具Inspecs以及設計優化工具也能通過該接口連接。