基于Hammerstein模型的模拟电路结构级行为建模技术

摘要

集成电路制备集成度的大幅度提高和设计能力的显著提高，促进了混合信号 SoC的发展，同时也使得模拟电路规模越来越大、复杂度越来越高，设计越来越困难。模拟电路设计面临的可测性困难、自动优化设计程度低、可靠性设计困难等影响了混合信号 SoC和系统级模拟电路设计效率，尤其在复杂混合信号系统中，由于模拟部分的设计缺陷和可靠性问题，引起整个系统失效从而导致重新设计的比例越来越大，严重影响混合信号系统的发展。采用模拟电路自顶向下设计方法，能够在较高层次进行系统验证和结构优化，有效的提高混合信号系统设计效率，降低重复设计率，从根本上解决混合信号系统设计面临的困难。本文提出一种基于模拟电路高层次模型的自顶向下的设计方法，旨在为复杂功能模拟电路设计提供系统级指导，提高模拟电路自顶向下方法的设计效率。
　　首先，模拟电路高层次设计的关键是建立其高层次模型，本文提出一种基于Hammerstein模型的模拟电路结构级的行为模型。该方法认为：第一，任意模拟电路都可以划分并等价为由电源（Source）、放大器（Amplifier）、开关（Switch）和阻抗（Impedance）等基本单元构成的网络，本文将这种网络结构定义为模拟电路的SASI结构；第二，SASI结构中每个放大器单元都采用Hammerstein宏模块模型建模；第三，利用硬件描述语言建立SASI结构中每个单元的行为模型；第四，按照SASI结构的拓扑网络，结合每个单元的行为模型，建立整个模拟电路的网表描述，并能够支持类 Spice仿真器的仿真。根据这种方法建立的模型具有以下特点：第一，参数化的高层次模型，其本身原始的模型参数包括放大器单元的性能参数（比如直流增益、带宽等）及其他单元设计参数，模型具有一定的通用性；第二，每个单元都建立相应的行为模型，能够进行模拟电路的瞬态、交流、直流仿真等，支持高层次仿真验证、优化设计等；第三，结构化模型有利于后续晶体管级电路的综合设计；第四，针对具体的晶体管级模拟电路，根据此方法建立的模型具有足够的精度。
　　其次，在以上上述的建模方法和及高层次模型的基础上，模拟电路高层次自顶向下设计的核心是确定基于Hammerstein模型的模拟电路SASI结构级的行为模型中的各项参数，完成模拟电路的高层次建模。一个完整的自顶向下设计过程包括：第一，进行模拟电路结构划分，将整个系统结构划分为子功能模块结构，并将每个子功能模块划分分解为SASI结构；第二，对划分后的子模块结构，建立基于Hammerstein模型的模拟电路 SASI结构级行为模型；第三，进行自顶向下的设计规范映射，将对整个系统提出的高层次设计规范映射为对到每个子模块的设计规范要求，并完成每个子模块设计规范到每个相应SASI结构单元参数映射，在这一过程中，用子模块的性能参数取代相应的原始模型参数；第四，为了克服系统级模拟电路相应的SASI结构级行为模型过于复杂，不利于模拟电路的分析设计的缺点，本文提出了模拟电路子模块分解法与整个模拟系统重构法。基于此方法得到较为简化的功能模型、动态模型、噪声模型、输入输出分解响应模型等，更加方便于建立设计规范自顶向下映射过程中的行为（约束）关系。
　　再次，由于模拟电路系统设计过程中，系统性能受子模块电路性能影响较大，为了优化子电路的性能，本文提出了基于子电路宏模块的高层次模型，通过改变高层次模型的方法以优化设计子电路。基于子电路宏模块的非线性增益模型，采用函数改造法，设计了一种应用于共模反馈运算放大器的大摆幅二级共模采样电路。分析不同结构但功能相同的子电路高层次模型，利用线性规划法可以消除某种参数变化对电路某种性能的影响，设计了一种大范围温度补偿的电流基准源。基于子模块电路的SASI结构级行为模型，其性能参数远少于设计参数的个数，提出了子模块性能约束的设计方法。通过分析子电路结构级行为模型，建立性能参数和设计参数确定性关系，和为了优化其他设计目标而建立的相应的约束关系，根据某种数学或者自动化算法求解以得到每个设计参数的较优解，并利用此方法完成了一种数字可编程OTA-C带通滤波器电路的优化设计。
　　最后，以红外遥控接收器设计过程为例，建立了接收器SASI结构级行为模型，并应用高层次优化设计方法，优化了接收器的灵敏度性能、ASK调制信号解调性能、噪声传递性能和抗工艺漂移的可靠性等，从而确定了其 SASI结构级行为模型中的设计参数。根据其SASI结构级行为模型指导设计了其晶体管级电路。采用CSMC0.6um混合信号CMOS工艺流片，测试结果表明，优化后的接收器实际接收距离20m，电源消耗电流0.73mA，能够满足家电等产品低功耗、长接收距离的要求。

目录

基于Hammerstein模型的模拟电路结构级行为建模技术

METHODOLOGY OF THE STRUCTURAL BEHAVIORAL MODELING FOR ANALOG CIRCUITS BASED ON HAMMERSTEIN METHOD

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 模拟电路Top-Down设计方法研究现状

1.2.1 模拟电路Top-Down设计流程

1.2.2 模拟电路高层次建模方法

1.2.3 硬件描述语言与模拟电路行为建模

1.3 模拟电路自顶向下约束驱动设计方法

1.3.1 模拟/混合信号系统中模块划分

1.3.2 模拟电路设计空间探索

1.3.3 模拟电路的可靠性分析与软故障模型

1.4 本文主要研究内容与章节安排

第2章 基于Hammerstein模型的模拟电路结构级行为模型

2.1 引言

2.2 模拟电路的SASI结构

2.2.1 模拟电路的SASI结构描述

2.2.2 模拟电路SASI结构非线性动态特性

2.3 基于Hammerstein模型SASI结构级行为模型建模

2.3.1 Hammerstein模型

2.3.2 模拟电路宏模块Hammerstein模型辨识

2.3.3 复杂系统Hammerstein宏模块模型误差分析

2.3.4 模拟电路SASI结构级行为模型建模方法

2.4 基于Hammerstein模型的运算放大器行为建模

2.4.1 运算放大器的非线性特性

2.4.2 运算放大器的动态特性

2.4.3 运算放大器的噪声特性

2.4.4 运算放大器的Hammerstein模型

2.5 可调OTA-C带通滤波器SASI结构级行为建模

2.5.1 可调OTA-C带通滤波器SASI结构与行为模型

2.5.2 OTA-C可调带通滤波器仿真结果

2.6 模拟电路硬IP核高层次模型建模

2.6.1 模拟电路IP核技术与IP复用

2.6.2 模拟电路硬IP核的高层次模型

2.7 本章小结

第3章 模拟电路系统级高层次分析与设计

3.1 引言

3.2 模拟电路高层次模块划分

3.2.1 输入信号非理想特征

3.2.2 输入输出信号理想特征

3.3 模拟电路多层次、多角度的高层次分析方法

3.3.1 模拟电路子功能模块模型分解

3.3.2 模拟电路系统级模型重构

3.4 非线性动态行为模型的噪声传递特性

3.4.1 基于Hammerstein模型的噪声传递特性

3.4.2 信号箝位与饱和特性非线性噪声传递特性

3.5 红外遥控接收器高层次设计与优化

3.5.1 接收器子功能模块SASI结构与性能分析

3.5.2 红外遥控接收器高层次优化

3.5.3 红外遥控接收器仿真结果分析

3.6 本章小结

第4章 子模块电路高层次优化设计

4.1 引言

4.2 线性度优化设计

4.2.1 函数改造法的线性度优化方法

4.2.2 大摆幅共模采样电路优化设计

4.3 抗参数变化的优化设计

4.3.1 抗参数变化的线性规划优化法

4.3.2 大温度范围补偿的基准源设计

4.4 性能约束驱动的优化设计

4.4.1 性能约束驱动优化设计方法

4.4.2 可编程带通滤波器性能约束驱动设计

4.5 本章小节

第5章 红外遥控接收器电路设计与实现

5.1 引言

5.2 抗电源直流变化偏置电路设计

5.2.1 自偏置电流源电路

5.2.2 多电压参考源

5.2.3 高输出阻抗电压参考源

5.3 子模块功能电路设计

5.3.1 共模反馈运算放大器电路

5.3.2 可变增益放大器

5.3.3 非法信号监测器

5.3.4 包络检波器

5.3.5 滞回比较器

5.4 接收器实现与测试

5.4.1 版图设计与实现

5.4.2 测试与分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

附录1

攻读学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间参与的科研项目

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历