电路与系统虚拟仿真系统简介

 

    集成电路的出发点和落脚点是集成电路芯片。通过电路与系统虚拟仿真实验，可以将集成电路工艺、半导体器件原理两个虚拟仿真系统有机结合，促使学生更系统地掌握集成电路的原理和实现方法。
 

    在实施本系统内容时，通过课内外结合、校企联合，搭建创新实践平台，通过中国“全国大学生电子设计竞赛”、“全国大学生FPGA设计竞赛”等一些列创意大赛，既调动了学生学习积极性，激发创新意识和兴趣，促进学生对课堂理论知识的理解和消化，又提高了学生集成电路与系统设计的能力，为今后投身集成电路产业奠定坚实的基础。
 

（一）数字IC系统设计虚拟仿真实验平台
 

A. 实验功能
 

    数字IC设计虚拟仿真实验平台借助Linux/Unix服务器以及各种电子设计自动化软件( 如NC-Verilog ，Design Compiler等) 为学生提供了数字IC仿真验证、综合实现的IC设计平台，并且通过采用这种电子设计自动化（EDA）的实验教学方式，形成一个理论与实践相结合的实践性教学体系。
 

B. 主要虚拟仿真实验项目与服务课程

 

序号	实验名称	相关课程
1	4000/54/74系列电路仿真实验	《数字电路与逻辑设计》、《数字集成电路设计》、《专用集成电路设计基础》、《集成电路EDA技术》等。
2	数字集成电路单元电路设计与功能验证
3	数字集成电路逻辑设计仿真
4	数字集成电路综合与优化
5	数字集成电路网表仿真与时序优化
6	数字集成电路版图设计
7	半定制设计与版图验证
8	数字集成电路标准单元版图设计、时序参数提取与数据封装

C. 虚拟仿真实验特色和效果
 

    数字IC设计由于规模巨大采用实际器件进行真实实验的逻辑规划、电路设计、版图绘制几乎无法进行，采用虚拟仿真手段已经是业界普遍使用的方法，通过虚拟仿真能够让学生体验数字IC从功能定义到实现的整个流程，使学生掌握大规模数字IC设计基本方法，训练利用主流EDA工具进行电路仿真、电路优化、时序分析、版图设计、规则检查等能力，增强逻辑综合、逻辑仿真、自动布局布线等标准单元半定制集成电路设计素质，培养学生工程实践能力和独立思考能力，激发科研兴趣和创新意识。
 

    图1给出了虚拟仿真实验项目(3)中利用Modelsim工具针对雷达信号处理应用中的脉冲压缩电路完成的仿真波形图，该仿真直观地揭示了在接收到雷达信号后的脉冲压缩过程，通过虚拟仿真可以方便快捷地对电路进行调试，具有真实实验无法比拟的灵活性。图2给出了虚拟仿真实验项目(5)中脉冲压缩电路的NC-Verilog仿真波形图，是超大规模电路时序跟踪排查的主要手段，而对于真实实验，跟踪分析集成电路内部的海量节点变化几乎是不可完成的任务。图3给出了虚拟仿真实验项目(6)中8位微处理器物理版图的一部分，由于集成电路内部线条属于微米/纳米级，数目巨大，借助虚拟仿真平台完成大规模数字版图是实现版图的主要方法。

 

   

      

图1脉冲压缩电路功能仿真波形图                     图2时序仿真波形图

 

 

图3  8位微处理器物理局部版图
 

（二）模拟IC设计虚拟仿真实验平台
 

A. 实验功能
 

    模拟集成电路虚拟实验平台借助PC机或者Linux服务器以及各种电子设计自动化软件(如HSpice，Cadence等) ，为学生提供可进行数模混合集成电路仿真分析的虚拟实践平台，形成一个灵活多样的新型实验教学体系。
 

B. 主要虚拟仿真实验项目与服务课程

 

序号	实验名称	相关课程
1	模拟集成电路原理图设计	《模拟电子技术基础》、《模拟集成电路设计》、《集成电路EDA技术》等
2	模拟集成电路仿真分析与优化
3	模拟集成电路版图设计
4	模拟集成电路版图参数提取与后仿

C. 虚拟仿真特色和效果
 

    模拟集成电路其性能指标和电路参数关联度高，参数设计复杂，因此采用虚拟仿真手段能够直观化的观察器件参数对电路指标的影响，培养学生模拟集成电路设计及工程实践的基本能力。
 

    以运算放大器的仿真为例，说明虚拟仿真实验在模拟IC课程教学中的应用。该运算放大器中采用级联方式得到较大的增益，采用后级共源方式获得大的输出电压摆幅。图4（a）、（b）给出了虚拟仿真实验项目(4)中，基于SMIC 0.13μm工艺运算放大器版图后仿真的输入共模范围和频率响应的仿真结果，而在真实实验中很难获取这些结果的内部细节特征。

 

    

      

    （a）运放的输入共模电压范围                  （b）运放频率响应虚拟仿真曲线

 

图4 基于SMIC 0.13μm工艺运算放大器版图后仿真的输入共模范围和频率响应的仿真

 

（三）射频IC设计虚拟仿真实验平台
 

A. 实验功能
 

    射频集成电路虚拟实验平台借助PC/Linux 工作站(服务器)以及各种电子设计自动化软件( 如ADS， SpetraRF等) 为学生提供了计算机模拟分析与实际电路搭建相结合的射频集成电路实验教学方式，形成一个灵活多样的新型实验课的教学体系。
 

B.主要虚拟仿真实验项目与服务课程

 

序号	实验名称	相关课程
1	射频系统仿真	《微波电路与器件》、《射频电路基础》、《集成电路EDA基础》等
2	阻抗匹配仿真优化
3	射频电路版图设计
4	射频典型单元电路设计与优化

C. 虚拟仿真特色和效果
 

    本实验相对真实实验具有低成本、低消耗、高重复度等优势，通过虚拟仿真实验可以实现许多真实实验根本无法完成的设计工作。例如，低噪声放大器作为射频或微波接收机前端的主要部分，其研制要满足各项指标，如噪声、增益、增益平坦度、线性度、稳定度等，因此其性能的好坏直接影响到整个接收系统的性能。
 

    图5给出了虚拟仿真实验项目(3)中基于SMIC 0.18µm工艺的低噪声放大器版图。图6给出功率增益曲线，图7为噪声系数的仿真结果。元器件参数变化会强烈影响射频电路性能，要想调试出目标电路，脱离虚拟仿真支持，仅靠真实实验很难实现。 

 

 

图5 低噪声放大器版图

 

   

 图6 低噪声放大器的功率增益图                 图7 噪声系数的仿真结果

 

（四）基于FPGA的SoC验证虚拟仿真实验平台
 

A. 实验功能
 

    FPGA仿真平台借助目前业界通用的可编程器件及配套开发工具，为学生提供了SoC分析与应用相结合的实验教学途径，形成一个灵活多样的新型实验课的教学体系，使学生掌握SoC设计理论知识，具备一定的动手实践能力。
 

B.主要虚拟仿真实验项目与服务课程

 

序号	实验名称	相关课程
1	FPGA开发流程及开发工具	《专用集成电路设计基础》、《数字集成电路设计》、《大规模可编程逻辑器件》、《硬件描述语言》、《嵌入式系统与SoC设计》等
2	FPGA设计方法
3	基于FPGA的逻辑仿真和逻辑综合
4	基于FPGA的时序优化
5	基于FPGA的版图设计与优化
6	基于FPGA与标准单元方式的集成电路优缺点比对
7	FPGA编程、配置及调试验证

C.虚拟仿真特色和效果
 

    FPGA虚拟验证方法低错误率、速度快、成本低，可实现关键模块设计或芯片系统级验证，特别适合RTL代码更改频繁的设计。
 

    图8给出了虚拟仿真实验项目(3)中应用于网络处理器SoC的FPGA验证虚拟仿真平台，通过该虚拟仿真平台可以模拟终端对网络协议的响应，帮助学生更准确的理解协议，并获取真实的网路协议包。图9给出了网络处理器SoC中的TCP/IP协议解析虚拟仿真平台的仿真波形，通过对虚拟仿真输出数据和实际发送数据进行比较，学生可以直观地分析自己设计的正确性，并进行修改优化。FPGA平台的可复用性可以大大减轻真实实验的巨大资金投入。

 

 

图8  FPGA原型验证虚拟仿真平台

 

 

图9  TCP/IP收发数据包虚拟仿真