一種射頻標簽芯片的數模混合信號仿真方法

劉長龍，陳 燕，程理麗

（1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081；2.河北師范大學物理科學與信息工程學院，河北石家莊050024）

一種射頻標簽芯片的數模混合信號仿真方法

劉長龍1，陳 燕2，程理麗1

（1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081；
2.河北師范大學物理科學與信息工程學院，河北石家莊050024）

針對射頻標簽芯片的設計，介紹了一種基于Synopsys XA及VCS的數模混合信號仿真方法。在分析射頻標簽芯片基本架構和工作原理的基礎上，首先采用XA完成了仿真環境的建立，初步驗證了芯片的電源系統和基本邏輯功能；在此基礎上，開展了數模混合信號仿真技術的研究工作。探討了在混合仿真中對存儲器建模的幾種方法，并針對EEPROM的電流模型在仿真中與實際工作狀態不符的問題，設計了一種基于電流受控電阻的存儲器仿真模型。仿真結果顯示，修正后的存儲器模型與Spice仿真結果較為接近，利用該模型成功實現了全芯片的數模混合信號功能仿真和接口時序驗證，且仿真速度約為傳統方法的10倍以上，從而為芯片驗證工作節約了大量的時間。

射頻標簽；混合信號；電路仿真；仿真模型

0 引言

射頻標簽又稱為射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID），是20世紀90年代出現的一種自動識別技術［1］。閱讀器發射的無線射頻信號可以被特定的射頻標簽識別，從而交換、存儲數據信息［2］；與傳統的識別技術不同，射頻識別解決了免接觸等問題，并可同步實現運動目標識別、多目標識別［3］，因此被廣泛應用于物流系統、室內定位［4］、身份識別、交通管理和醫藥行業等許多領域［5］。

在引入數模混合仿真方案之前，RFID芯片通常是模擬及數字部分單獨進行仿真驗證［6］。由于沒有進行芯片級系統仿真，無法驗證接口的功能、時序以及數字、模擬電路之間的相互影響，可能會導致流片失敗［7］。為了解決這一問題，采用了基于Synopsys公司的XA－VCS數模混合仿真解決方案，并對存儲器模型進行了修正，實現了對RFID芯片的數模混合信號仿真驗證，從而縮短了產品設計周期，有效降低了設計風險。

1 RFID工作原理

如圖1所示，RFID芯片可以分為模擬前端（AFE）、數字基帶處理單元（BPU）和電可擦除可編程存儲器（EEPROM）存儲器三部分。模擬前端電路與天線相連，主要功能是電源管理、射頻信號的調制解調及數字接口信號生成。電源管理部分包括ESD保護電路、整流電路、高壓泄放電路和基帶穩壓電路；調制解調電路完成ASK、FSK和BPSK等信號調制解調工作；數字接口信號生成主要包括時鐘恢復電路、上電復位（Power on Reset）模塊等等。數字基帶單元是整個芯片的控制單元，其中包括基帶協議處理、EEPROM接口、RF接口、加解密單元等。EEPROM存儲器負責數據的讀取與存儲，可重復讀寫，由存儲單元即BitCell陣列、數字控制電路、模擬電荷泵等模塊組成［8］。

圖1 RFID芯片的基本結構

在工作過程中，RFID通過天線接收閱讀器發送的載波信號，并通過整流電路將其轉換為直流信號，為整個芯片供電；同時解調模塊解調出經調制的載波信號所攜帶的數據信息，并傳遞給片上的數字基帶部分加以處理；基帶部分與EEPROM存儲器部分共同完成數據的讀寫和處理，再通過調制模塊將上行信號返回給閱讀器，從而完成一次通信。由此可見，RFID芯片的通信依賴于模擬電路、數字基帶及存儲器的協同配合，在功能上，數字與模擬電路接口需要準確配合；在性能上，模擬部分要為數字基帶及存儲器提供穩定的電源和正確的輸入信號，反過來數字電路及存儲器的功耗也會對模擬電路造成負載的變化及噪聲干擾［9］。

2 XA仿真環境的建立

XA是Synopsys用于晶體管級電路瞬態仿真的仿真器，在保持了HSIM、NanoSim的快速、大容量性能的基礎上能夠得到SPICE的精度［10］。在芯片設計過程中，首先使用XA進行仿真，主要是有以下分析目標：

①上電復位電路是否能保證數字邏輯正確復位并進入工作狀態；

②數字電路工作時，模擬穩壓電路是否能夠保證其穩定工作。

仿真環境的建立采用Spice－Top的方法，模擬前端加射頻非接觸激勵源作為一個整體的模擬電路Spice網表，數字電路網表來自于APR工具輸出的Verilog格式網表，利用V2S工具將該網表轉換成Spice仿真工具可以識別的CDL網表［11］。根據對功耗情況的分析，在RFID芯片中功耗最大的負載為EEPROM存儲器，因此在仿真中需要重點關注EEPROM工作狀態下的功耗對模擬前端電源及解調性能的影響。圖2是XA仿真結果，從圖中可以看到，數字邏輯部分工作正常，可以完成協議處理及數據返回，說明上電復位電路以及穩壓電路能夠滿足數字邏輯的工作需求。

圖2 XA仿真結果

3 全芯片數模混合仿真環境的建立

數模混合信號仿真是數模混合集成電路功能驗證的一種系統仿真方案。通過把快速SPICE仿真器與VCS數字仿真器集成到統一的混合信號仿真流程中，成功地克服了行為級驗證對模型精確度的依賴性以及晶體管級驗證耗時長且效率低等缺點，實現同時仿真數字和模擬單元，驗證接口時序、功能，并在仿真的速度和仿真精度間可以進行靈活的折衷。

采用基于Verilog－Top的流程建立芯片的混合信號仿真環境，如圖3所示，模擬電路加上Verilog Wrapper后，使用Verilog完成頂層描述和模塊調用，仿真參數設置文件描述接口部分的電壓轉換閾值，配置文件主要完成仿真參數配置。在完成混合仿真后，仿真數據統一由FSDB格式輸出［12］。在數模混合仿真中，存儲器部分的仿真模型主要由以下幾種方法實現：

①利用存儲器的數字行為模型在數字域完成仿真，缺點是無法為模擬部分提供準確、有效的負載；

②如果有存儲器的SPICE網表，則可以把仿真放到模擬部分，但缺點是需要初值的存儲器（如EEPROM）初始化工作比較復雜，并且較大的存儲器會導致整體仿真速度變得異常慢；

③采用存儲器的電流模型（PWL格式）進行仿真，需要Foundry提供相應的模型文件，其優點是仿真擬真度較高，且仿真速度較快。

圖3 混合信號仿真環境示意圖

由于文中EEPROM存儲器為加密網表，而XAVCS混合信號仿真中不能對加密網表處理；同時考慮到存儲器對電源負載的影響較大，故采用于PWL模型的仿真方法，以驗證系統帶載狀態下的性能。仿真結果如圖4所示，電源電壓輸出不正常，解調輸出錯誤，VDD被拉到0 V以下，這與實際情況顯然不符，紋波幅度也超出了預期，說明PWL模型在混合信號仿真中直接使用存在一定的問題。

圖4 存儲器電源仿真結果

4 存儲器仿真模型的修正

通過上述仿真，可以看到由EEPROM的PWL模型與實際電路負載對電源的影響差別較大，經分析，認為電流模型作為負載其最大的問題就是電流的強制性，這種強制抽取的電流甚至可以將電源電壓拉到負值。所以采用VerilogA建立一個受電流源控制阻值的受控電阻的CCR（Current Control Resistor，CCR）模型，該模型可以避免電流源對電源電壓的強制拉低。CCR的VerilogA模型文件如下：

∥VerilogA for CCR

`include“constants.vams”

`include“disciplines.vams”

module CCR（in_p，in_n，out_p，out_n）；

electrical in_p，in_n，out_p，out_n；

real ro；

analog begin

ro＝1.8/I（in_n，in_p）；

V（in_p，in_n）＜＋0；

V（out_p，out_n）＜＋I（out_p，out_n）*ro；

end

同時，考慮到EEPROM的等效負載中應存在等效電容因素，根據經驗值估算出該電容約100～200 p，所以將CCR并聯一個200 p的電容。驗證該模型準確性，可以通過比較加入CCR仿真結果（VDD1）與EEPROM Spice網表仿真結果（VDD2）來實現。圖5為兩者仿真結果的對比，可以看到除了源紋波較大，兩者仿真結果比較接近。

圖5 存儲器電流模型仿真結果

5 數模混合仿真結果

利用修正后的存儲器仿真模型，重新完成了全芯片的數模混合信號仿真，結果如圖6所示。從仿真結果可以看出，解調信號接收，以及數據返回功能正常，數字、模擬間各輸入輸出信號功能正常，電源電壓正常。通過這一仿真成功驗證了該射頻標簽芯片的接口功能及時序，同時也驗證了修正的存儲器模型的正確性。

表1所示是本項目中用到的各種仿真方法運行相同測試用例（TestBench）消耗時間的比較。

圖6 全芯片混合信號仿真仿真結果

表1 不同仿真方法耗時比較

從表1可以看出，采用基于數模混合信號仿真的方法，可以在獲得較為準確的仿真結果的同時，大幅節省驗證時間，相較傳統的純模擬仿真方法節省時間在10倍以上。

6 結束語

在數模混合信號芯片的設計過程中，設計的瓶頸就是復雜的全芯片功能驗證以及數字和模擬間的接口節點分析。考慮到這些問題，針對一款RFID芯片的仿真，提出了一種基于XA－VCS的混合信號驗證方法，并對存儲器的仿真模型進行了修正，以適應混合信號仿真的需要。仿真結果表明，該方法在保證一定精度的基礎上，大大縮短了仿真時間，提高了驗證的效率，使設計人員在早期仿真階段就能及時發現設計中存在的問題，從而改進設計的質量。

［1］Klaus Finkenzeller著.射頻識別（RFID）技術［M］.陳大才，譯.廣州：電子工業出版社，2006.

［2］李輝.一種低頻RFID讀卡器的實用前端系統設計［J］.無線電通信技術，2014，40（1）：65－67.

［3］戴彩艷，蔡堅勇，陳銀燕，等.13.56MHz RFID讀寫器天線的設計與仿真［J］.無線電工程，2013，43（1）：42－45.

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［5］蔡堅勇，林李金，鄭華，等.13.56MHz RFID閱讀器的多天線選通設計［J］.無線電工程，2014，44（4）：42－44.

［6］肖躍龍.混合信號系統級芯片仿真［J］.半導體技術，2003（2）：55－57.

［7］鄭赟.混合信號仿真技術［J］.中國集成電路，2004，11（66）：40－44.

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An Analog/digital M ixed Signal Simulation M ethod of RFID Chip

LIU Chang－long1，CHEN Yan2，CHENG Li－li1
（1.The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei050081，China；
2.College of Physics Science and Information Engineering，Hebei Normal University，Shijiazhuang Hebei050024，China）

This paper introduces amethod of analog/digitalmixed signal simulation technology of Synopsys XA and VCS in a RFID chip design.After analyzing basic structure and operating principle of the RFID chip，the simulation environment is setup by using XA，and a preliminary validation of the power supply partand basic logical functions is completed.On this basis，the research onmixed signal simulation has been carried out.Several methods for memory modeling in simulation are discussed.In view of larger difference of EEPROM currentmodel in simulation and in actualwork，amemory simulationmodel is designed based on current control resistor.The simulation results of modified memory model is close to that of SPICE，and the resuls show that the modified memory model can implement the full chip mixed signal simulation and interface timing verification，and its simulation speed is 10 times that of traditional method，saving a large amount of time for the chip verification.

RFID；mixed signal；circuit simulation；simulationmodel

TN925

A

1003－3114（2015）04－80－4

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.04.21

劉長龍，陳 燕，程理麗.一種射頻標簽芯片的數模混合信號仿真方法［J］.無線電通信技術，2015，41（4）：80－83.

2015－03－05

國家部委基金資助項目

劉長龍（1985—），男，博士研究生，工程師，主要研究方向：數字及SoC芯片設計。陳燕（1983—），女，博士研究生，講師，主要研究方向：模擬集成電路及光通信技術。