基于Hammerstein模型的模擬電路結(jié)構(gòu)級(jí)行為建模技術(shù).pdf

1、集成電路制備集成度的大幅度提高和設(shè)計(jì)能力的顯著提高，促進(jìn)了混合信號(hào) SoC的發(fā)展，同時(shí)也使得模擬電路規(guī)模越來(lái)越大、復(fù)雜度越來(lái)越高，設(shè)計(jì)越來(lái)越困難。模擬電路設(shè)計(jì)面臨的可測(cè)性困難、自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)程度低、可靠性設(shè)計(jì)困難等影響了混合信號(hào) SoC和系統(tǒng)級(jí)模擬電路設(shè)計(jì)效率，尤其在復(fù)雜混合信號(hào)系統(tǒng)中，由于模擬部分的設(shè)計(jì)缺陷和可靠性問(wèn)題，引起整個(gè)系統(tǒng)失效從而導(dǎo)致重新設(shè)計(jì)的比例越來(lái)越大，嚴(yán)重影響混合信號(hào)系統(tǒng)的發(fā)展。采用模擬電路自頂向下設(shè)計(jì)方法，能夠在較高層

2、次進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有效的提高混合信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率，降低重復(fù)設(shè)計(jì)率，從根本上解決混合信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨的困難。本文提出一種基于模擬電路高層次模型的自頂向下的設(shè)計(jì)方法，旨在為復(fù)雜功能模擬電路設(shè)計(jì)提供系統(tǒng)級(jí)指導(dǎo)，提高模擬電路自頂向下方法的設(shè)計(jì)效率。
　　首先，模擬電路高層次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是建立其高層次模型，本文提出一種基于Hammerstein模型的模擬電路結(jié)構(gòu)級(jí)的行為模型。該方法認(rèn)為：第一，任意模擬電路都可以劃分并等價(jià)為由電源（So

3、urce）、放大器（Amplifier）、開(kāi)關(guān)（Switch）和阻抗（Impedance）等基本單元構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，本文將這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)定義為模擬電路的SASI結(jié)構(gòu)；第二，SASI結(jié)構(gòu)中每個(gè)放大器單元都采用Hammerstein宏模塊模型建模；第三，利用硬件描述語(yǔ)言建立SASI結(jié)構(gòu)中每個(gè)單元的行為模型；第四，按照SASI結(jié)構(gòu)的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，結(jié)合每個(gè)單元的行為模型，建立整個(gè)模擬電路的網(wǎng)表描述，并能夠支持類 Spice仿真器的仿真。根據(jù)這種方法建立的

4、模型具有以下特點(diǎn)：第一，參數(shù)化的高層次模型，其本身原始的模型參數(shù)包括放大器單元的性能參數(shù)（比如直流增益、帶寬等）及其他單元設(shè)計(jì)參數(shù)，模型具有一定的通用性；第二，每個(gè)單元都建立相應(yīng)的行為模型，能夠進(jìn)行模擬電路的瞬態(tài)、交流、直流仿真等，支持高層次仿真驗(yàn)證、優(yōu)化設(shè)計(jì)等；第三，結(jié)構(gòu)化模型有利于后續(xù)晶體管級(jí)電路的綜合設(shè)計(jì)；第四，針對(duì)具體的晶體管級(jí)模擬電路，根據(jù)此方法建立的模型具有足夠的精度。
　　其次，在以上上述的建模方法和及高層次模型的基

5、礎(chǔ)上，模擬電路高層次自頂向下設(shè)計(jì)的核心是確定基于Hammerstein模型的模擬電路SASI結(jié)構(gòu)級(jí)的行為模型中的各項(xiàng)參數(shù)，完成模擬電路的高層次建模。一個(gè)完整的自頂向下設(shè)計(jì)過(guò)程包括：第一，進(jìn)行模擬電路結(jié)構(gòu)劃分，將整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分為子功能模塊結(jié)構(gòu)，并將每個(gè)子功能模塊劃分分解為SASI結(jié)構(gòu)；第二，對(duì)劃分后的子模塊結(jié)構(gòu)，建立基于Hammerstein模型的模擬電路 SASI結(jié)構(gòu)級(jí)行為模型；第三，進(jìn)行自頂向下的設(shè)計(jì)規(guī)范映射，將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)提出的高層

6、次設(shè)計(jì)規(guī)范映射為對(duì)到每個(gè)子模塊的設(shè)計(jì)規(guī)范要求，并完成每個(gè)子模塊設(shè)計(jì)規(guī)范到每個(gè)相應(yīng)SASI結(jié)構(gòu)單元參數(shù)映射，在這一過(guò)程中，用子模塊的性能參數(shù)取代相應(yīng)的原始模型參數(shù)；第四，為了克服系統(tǒng)級(jí)模擬電路相應(yīng)的SASI結(jié)構(gòu)級(jí)行為模型過(guò)于復(fù)雜，不利于模擬電路的分析設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)，本文提出了模擬電路子模塊分解法與整個(gè)模擬系統(tǒng)重構(gòu)法。基于此方法得到較為簡(jiǎn)化的功能模型、動(dòng)態(tài)模型、噪聲模型、輸入輸出分解響應(yīng)模型等，更加方便于建立設(shè)計(jì)規(guī)范自頂向下映射過(guò)程中的行為（約

7、束）關(guān)系。
　　再次，由于模擬電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，系統(tǒng)性能受子模塊電路性能影響較大，為了優(yōu)化子電路的性能，本文提出了基于子電路宏模塊的高層次模型，通過(guò)改變高層次模型的方法以優(yōu)化設(shè)計(jì)子電路?；谧与娐泛昴K的非線性增益模型，采用函數(shù)改造法，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于共模反饋運(yùn)算放大器的大擺幅二級(jí)共模采樣電路。分析不同結(jié)構(gòu)但功能相同的子電路高層次模型，利用線性規(guī)劃法可以消除某種參數(shù)變化對(duì)電路某種性能的影響，設(shè)計(jì)了一種大范圍溫度補(bǔ)償?shù)碾娏骰鶞?zhǔn)源。

8、基于子模塊電路的SASI結(jié)構(gòu)級(jí)行為模型，其性能參數(shù)遠(yuǎn)少于設(shè)計(jì)參數(shù)的個(gè)數(shù)，提出了子模塊性能約束的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)分析子電路結(jié)構(gòu)級(jí)行為模型，建立性能參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)確定性關(guān)系，和為了優(yōu)化其他設(shè)計(jì)目標(biāo)而建立的相應(yīng)的約束關(guān)系，根據(jù)某種數(shù)學(xué)或者自動(dòng)化算法求解以得到每個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的較優(yōu)解，并利用此方法完成了一種數(shù)字可編程OTA-C帶通濾波器電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　最后，以紅外遙控接收器設(shè)計(jì)過(guò)程為例，建立了接收器SASI結(jié)構(gòu)級(jí)行為模型，并應(yīng)用高層次優(yōu)化