一種精確的鎖相環(huán)IP模塊行為級(jí)建模

1 引言

隨著soc時(shí)代的到來(lái)，無(wú)論是芯片的復(fù)雜度還是規(guī)模都給集成電路設(shè)計(jì)者帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，而更大的困難卻在于他們?nèi)绾文軌蚩焖佟⒕_地將各個(gè)ip應(yīng)用到自己的設(shè)計(jì)當(dāng)中。而正是由于各種ip、模塊的大量應(yīng)用，對(duì)設(shè)計(jì)中所需的ip、模塊進(jìn)行仿真、驗(yàn)證并能快速地將各個(gè)模塊整合在一起，關(guān)鍵在于：soc不僅包含大規(guī)模的數(shù)字模塊、而且包含同樣至關(guān)重要的模擬ip，數(shù)字模塊可以通過(guò)硬件描述語(yǔ)言verilog或vhdl來(lái)進(jìn)行行為描述，而模擬ip如若仍沿用晶體管級(jí)的仿真策略，就會(huì)成為整個(gè)soc的仿真、驗(yàn)證的瓶頸。

本文結(jié)合了top－down以及down－top的設(shè)計(jì)思路[1]，并以100mhz鎖相環(huán)（pll）為參考設(shè)計(jì)，基于模擬電路描述語(yǔ)言verilog－a[2]，對(duì)組成該款電荷泵鎖相環(huán)的各個(gè)模塊進(jìn)行了分析，并分別抽取出對(duì)模塊、和pll整體性能有影響的關(guān)鍵參數(shù)，將其加入到行為級(jí)模型中，從而建立了精確的pll各模塊和pll系統(tǒng)的行為級(jí)模型。通過(guò)采用混合仿真、設(shè)計(jì)的方法，不僅可以在設(shè)計(jì)初期能對(duì)系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行較為理想的行為級(jí)建模，從而建立系統(tǒng)級(jí)的理想模型，而且還可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中根據(jù)晶體管級(jí)仿真的結(jié)果，隨時(shí)對(duì)各個(gè)模塊的行為級(jí)模型中關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行修正，從而保證了所建立的模型能夠精確地表征晶體管級(jí)電路的行為，文章對(duì)行為級(jí)和晶體管級(jí)兩種方式建立的pll進(jìn)行了仿真和對(duì)比。

2 非理想模型的建立

如圖1所示，鎖相環(huán)（pll）包括鑒頻鑒相器（pfd）、電荷泵（cp）、低通濾波器（lp）、壓控振蕩器（vco）以及分頻器（divider）模塊，其基本工作原理見(jiàn)文獻(xiàn)[3]，[4]。鑒頻鑒相器（pfd）檢測(cè)fref與fb的位相差，產(chǎn)生up和dn脈沖信號(hào)，控制電荷泵（cp）對(duì)濾波器（lp）進(jìn)行充、放電，其充、放電時(shí)間正比于up和dn信號(hào)的脈沖寬度，濾波器輸出vctrl為壓控振蕩器輸出信號(hào)fvco頻率的控制電壓，fvco經(jīng)分頻器（div）n分頻后作為pfd的一個(gè)輸入信號(hào)fb。

2.1 鑒頻鑒相器（pfd）

如圖2所示，作為數(shù)字單元的pfd模塊，其工作過(guò)程主要是在四種狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，{up＝0，dn＝0}，{up＝1，dn＝0}，

{up＝1，dn＝1}，{up＝0，dn＝1}，其中up和dn均為“1”的狀態(tài)為暫態(tài)，其維持時(shí)間取決于pfd的復(fù)位延遲單元的延時(shí)，延遲時(shí)間對(duì)于消除死區(qū)至關(guān)重要[5]，所以模型中需要包含復(fù)位延遲的參數(shù)（t_rd）。另外信號(hào)up，dn的上升，延遲、下降時(shí)間的不匹配也會(huì)引起pll鎖定狀態(tài)下的抖動(dòng)，故而模型中需要考慮在內(nèi)。通過(guò)以上分析，所建立的非理想pfd行為級(jí)模型如下（由于篇幅關(guān)系，以下各模塊的行為模型僅給出主要部分，“?！贝碓摬糠质÷?，“＊＊”代表可調(diào)整參數(shù)）：

2.2 電荷泵（cp）、濾波器（lp）

電荷泵、濾波器結(jié)構(gòu)如圖3所示，電荷泵中，信號(hào)up為高時(shí)，電流源以isource為濾波器（lp）充電，信號(hào)dn為高時(shí)，電流源以isink對(duì)濾波器（lp）放電，理想情況是：isource＝isink，而且其值為定值：s1，s2的開(kāi)啟閾值vth1＝vth2。而實(shí)際情況則是：不僅電流源isource和isink之間存在不匹配，而且isource、isink還受到vctrl大小的影響，另外s1、s2的開(kāi)啟閾值vth1＝vth2也不會(huì)精確成立。

本設(shè)計(jì)采用了如圖3所示，二階低通濾波器結(jié)構(gòu)，其傳輸函數(shù)為：

h1p（s）＝（sr1c1＋1）/s（sc1c2r1＋c1＋c2）（1）

式（1）中，c2通常取c1/5－c1/10[4]，模型中采用了分子分母形式的laplace變換濾波器[2]。

考慮到這些非理想情況，建立了如下非理想電荷泵、低通濾波器的行為級(jí)模型：

2.3 壓控振蕩器（vco）

作為電壓——頻率的轉(zhuǎn)換器件，理想的壓控振蕩器輸出信號(hào)的頻率與控制電壓呈線性關(guān)系，其實(shí)時(shí)輸出頻率fvco（t）和輸入控制電壓vctrl（t）呈理想的線性關(guān)系：

fvco（t）＝fo＋kvco＊vctrl（t）（2）

其中，f0＝vco的自由振蕩頻率，kvco是vco的增益，也稱之為控制靈敏度。

而實(shí)際vco的fvco（t）與vctrl（t）之間的關(guān)系是非線性的，其在中心頻率附近線性度相對(duì)較好[5]，而兩端則明顯呈現(xiàn)出非線性，即表現(xiàn)出kvco與vctrl的關(guān)聯(lián)性。

故而可以采用高次近似的方法來(lái)精確模擬vco真實(shí)的非理想特性。令

fvco＝（（a3×vctrl＋a2）＊vctrl＋a1）＊vctrl＝a0（3）

上式中的參數(shù)a3、a2、a1、a0通過(guò)晶體管級(jí)仿真可以得到。

vco的內(nèi)部噪聲主要由熱噪聲和1/f噪聲組成，而vco表現(xiàn)出高通的特性[5]，因此，1/f噪聲基本被vco濾掉，主要是熱噪聲對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響，故而在模型中有考慮了噪聲的影響因素。

由此所建立的vco非理想行為級(jí)模型如下：

2.4 分頻器（div）

對(duì)于分頻器，其功能是將輸入信號(hào)進(jìn)行n分頻，考慮到其噪聲對(duì)抖動(dòng)的影響，建立的非理想模型如下：

3 仿真結(jié)果

本設(shè)計(jì)采用了tsmc0.18μm1p6m標(biāo)準(zhǔn)cmosbism3模型，利用cadence的sprectre[6]仿真器對(duì)設(shè)計(jì)的pll電路進(jìn)行了晶體管級(jí)仿真，當(dāng)vco的控制電壓vctrl穩(wěn)定后，則說(shuō)明pll進(jìn)入鎖定狀態(tài)，對(duì)于參考頻率為10mhz時(shí)，如圖4、圖5、圖6所示，分別給出了晶體管級(jí)仿真的vctrl的輸出波形、精確的行為級(jí)模型仿真結(jié)果和采用理想vco模型的行為級(jí)模型仿真結(jié)果。明顯看出圖4、圖5兩種情況符合較好，從而建立了pll精確行為級(jí)模型，在進(jìn)行soc設(shè)計(jì)時(shí)即可以此模型代替pll的晶體管級(jí)電路來(lái)仿真、驗(yàn)證。

另外，通過(guò)仿真時(shí)間對(duì)比，更加體現(xiàn)了在系統(tǒng)級(jí)仿真、驗(yàn)證時(shí)通過(guò)用精確行為級(jí)模型代替晶體管級(jí)電路的優(yōu)勢(shì)。表1為pll晶體管級(jí)和行為級(jí)仿真時(shí)間對(duì)比（所用機(jī)型：sunblade150，ultrasparcⅲ670mhzcpu，1g內(nèi)存）。

4 結(jié)論

復(fù)雜的電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真要求設(shè)計(jì)者能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行高抽象度的建模能力，而且要求模型能夠精確模擬晶體管級(jí)電路的行為，本文就cp_pll基于模擬電路描述語(yǔ)言verilog－a，充分考慮了晶體管級(jí)電路實(shí)現(xiàn)所表現(xiàn)的非理想性通過(guò)模塊晶體管級(jí)仿真的對(duì)行為級(jí)模型中的參數(shù)進(jìn)行了修正，從而建立了較為精確的行為級(jí)模型。通過(guò)cadence的spectre仿真器進(jìn)行的行為級(jí)仿真、晶體管級(jí)仿真證明，兩種仿真結(jié)果符合較好，另外在設(shè)計(jì)過(guò)程中利用晶體管級(jí)仿真結(jié)果實(shí)時(shí)的對(duì)行為級(jí)模型參數(shù)進(jìn)行修正，從而為每個(gè)模塊都建立了精確的行為級(jí)模型。采用混合仿真的方法大大加快了系統(tǒng)仿真的時(shí)間，從而極大地提高了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)速度，同時(shí)也為soc設(shè)計(jì)時(shí)所需的鎖相環(huán)ip模塊建立了精確的行為級(jí)模型。