PCB混合信号仿真浅谈

十多年来，电路与系统尺寸、复杂性和运行速度都得到了极大改进。随着系统级芯片(SOC)应用增加，电子设计各部分与现实世界联系更加紧密，因而对PCB数字和模拟信号仿真也提出了越来越多要求。

设计工程师所需考虑不仅仅是SOC，还须考虑同一系统内多个芯片如何通过多种技术协调配合来实现相应功能，因而除了混合信号之外，问题还涉及到光学、水力学、电机学、传感器和激励器等多种技术。

另外，知识产权(IP)使用方式也应予以考虑。过去，IP是以封装好组件形式被设计工程师采用。对半导体设计工程师而言，它是一种晶体管级原始单元。现在，通过数字HDL(VHDL和Verilog)实现软IP形式数字IP已经出现。

基于此，仿真技术采用不但能显着提高设计质量，而且还可大大降低产品面市时间。在数字方面，Verilog和VHDL提供了很好从门级到行为级描述仿真和建模方案；在模拟方面，长期以来各种形式Spice已得到广泛应用，但其主要缺点是无法满足高级建模需求。

仿真标准问题在于业界标准太多， SOC和IP开发方式存在不同之处，设计人员可能需要掌握所有标准。尽管利用现有点解决方案，从仿真角度看，这个问题可以解决，但考虑到时间和手工划分难度，这有可能是令人感到痛苦过程。利用开放结构产生单内核可为混合信号、混合语言以及支持系统设计混合级仿真环境创建提供一种理想解决方案。

混合信号问题

为了解决混合信号问题，大部分EDA供应商采用一种协同仿真方法，通过一个“底板”将仿真器连接起来。有些可支持多个仿真引擎连接，但大部分却只能连接一个模拟仿真器和一个数字仿真器。尽管底板可提供两个仿真器间同步功能，但该方法却忽视了混合信号建模主要问题，迫使用户人工地在两个仿真器间进行混合信号模型划分。Analogy公司采用与众不同方法，通过创建一个包含了数字和模拟算法混合信号仿真内核，从而解决了内核混合信号边界问题。

但任何事物都不会一成不变。真正混合信号语言标准，如VHDL-AMS和Verilog-AMS及其纯数字版本，并不仅仅要求增加一个仿真器，而是需要一种新思维方式。任何实际解决方案都必须支持多种语言。设计者可从多种来源得到模型/设计且须将它们用于设计之中。当然，在一个底板上使用多个仿真引擎可以解决问题，但这样成本很高。

解决这个问题佳方案是建立开放仿真环境，其内部有一个单核仿真引擎。采用这个方案，单一内核就能有效地解决设计中模拟和数字部分问题且使它们保持完全同步。然而，这个内核应该能够支持多种描述语言，包括VHDL-AMS标准、Verilog-AMS、MAST和Spice等现有语言。它也应该便于新语言和标准相互配合。通过大学研究机构和专业三方公司积极参与，这种开放仿真环境不但可改进性能，而且也有助于保护以前投资。

采用一个单内核仿真引擎可支持多种语言，但是仍有问题，其中之一即是VHDL-AMS语言没有对仿真算法实现作任何规定，而且好解决方案也需要时间点同步和信号接口以保持基本速度和精度优势。

人们已尝试利用各种方法来解决这一问题。一种方法是强制实施极小模拟时间步进(time-step)，以保证得到一个足以接近数字门输入阈值模拟解，其*近程度可以由一个用户误差控制软件(user error control)来设置。这个方法问题在于速度慢，因为仿真内核模拟部分有很高工作负荷，其取整误差(rounding error)高，使得极限点很难精确*近。在高频设计中，即使1ns误差都是很大误差。

二种方法是采用数字数学引擎来控制时间步进，而且强制模拟求解机(analog solver)为每一个数字事件求出一个答案。这一方法表明模拟方案不再是误差有限或受时间步进预测控制，因而也不精确。而且采用这种方法也不可能用封闭反馈环对设计进行分析。对于高度反馈电路来说，往往需要在同一时间点上进行模拟和数字间重复迭代以得到正确结果。

时间后向跟踪

有效方法是采用一种模拟时间后向跟踪(backtracking)机理。如果模拟求解机检测到它放过了一个重要数字点时，就放弃刚刚得到解，马上返回到前一时间点以保证对正确同步点进行预测。

单内核方法还须能够将转换Hyper模型插入到模拟和数字间边界，并可访问现有模型扩展库。但是除模型转换之外，仿真器还需对边界进行寻址，因为模型转换时引入了额外延迟。

那些在混合信号设计中采用标准数字仿真器公司在处理这一额外延迟时会比较困难，因为只有调整标准数字算法才能解决问题。只有数字门开始变换后，转换模型才开始工作。由于转换模型是模拟转换，信号具有时实上升沿，因而存在一个附加延迟。为了对这种情况进行校正，数字算法必须知道转换模型工作状况并调整其内部时延。

如前所述，与单内核同样重要是一个开放结构。例如，Analog已经发布了其解决方案具体规范。AIRE扩展版本可用于将语言编译器从其语言内核中分离出来。这将使得编译技术复用成为可能，并且鼓励新工具如系统设计语言开发，可由三方供应商在新内核之上实现。AIRE目前支持VHDL-AMS、MAST和Spice，将来它还会支持Verilog-AMS。有了应用编程接口(API)，它还有可能支持对仿真内核控制功能直接访问，并支持其它仿真器编程接口标准，如Verilog's PLI 2.0。此外，其它工具如用于混合信号测试Testify、混合信号统计分析工具Inspecs以及设计优化工具也能通过该接口连接。