信號(hào)分析在集成電路國(guó)產(chǎn)化替代中的應(yīng)用

胡子陽(yáng)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

信號(hào)分析在集成電路國(guó)產(chǎn)化替代中的應(yīng)用

胡子陽(yáng)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

以集成電路為代表的各種電子元器件，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、電力、金融、通信設(shè)備等公共設(shè)施和航空、航天、電子、船舶、兵器、核工業(yè)等各種武器裝備和軍事設(shè)備上[1]。我國(guó)電子設(shè)備尤其是軍用電子設(shè)備選用進(jìn)口電子元器件主要面臨停產(chǎn)斷檔、出口限制與禁運(yùn)、存在安全隱患、假冒偽劣以及篩選測(cè)試?yán)щy等多種問(wèn)題。因此，電子元器件國(guó)產(chǎn)化具有重大的現(xiàn)實(shí)和軍事意義[2]。在元器件國(guó)產(chǎn)化推進(jìn)過(guò)程中，由于集成電路的設(shè)計(jì)和工藝不同，在替代中會(huì)出現(xiàn)諸多信號(hào)匹配問(wèn)題，此類問(wèn)題如果通過(guò)細(xì)致的信號(hào)分析，可以避免大多數(shù)的故障問(wèn)題發(fā)生。以兩個(gè)案例為基礎(chǔ)，闡述信號(hào)分析在集成電路國(guó)產(chǎn)化替代中的重要作用。

國(guó)產(chǎn)化；元器件；信號(hào)分析；電路系統(tǒng)；可靠性；匹配

1 引言

電子元器件是組成電子系統(tǒng)的最小單元，電子元器件的選用與管理是電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的一步，也是系統(tǒng)質(zhì)量和可靠性的基礎(chǔ)。目前我國(guó)大部分高端集成電路需要從歐美發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)口。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2013年全球半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模3200億美元，而全球54%的集成電路出口到中國(guó)。國(guó)外壟斷高端電子元器件不僅直接阻礙我國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展，而且國(guó)外電子元器件面臨停產(chǎn)斷檔、限制出口與禁運(yùn)、存在安全隱患以及假冒偽劣等問(wèn)題，嚴(yán)重影響和制約我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和武器裝備的發(fā)展，甚至威脅國(guó)家安全。因此，電子元器件國(guó)產(chǎn)化具有重大的現(xiàn)實(shí)和軍事意義[3]。

在元器件國(guó)產(chǎn)化推進(jìn)過(guò)程中，由于集成電路的設(shè)計(jì)和工藝不同，在替代中會(huì)出現(xiàn)諸多信號(hào)匹配問(wèn)題。此類問(wèn)題大部分發(fā)生在元器件之間相互配合的握手是否充分上。在元器件國(guó)產(chǎn)化替代過(guò)程中，通過(guò)細(xì)致的信號(hào)分析，可以起到對(duì)電路板級(jí)進(jìn)行增進(jìn)了解的作用，并能避免大多數(shù)故障問(wèn)題的發(fā)生，在許多時(shí)候還能夠提高整機(jī)系統(tǒng)的惡劣環(huán)境耐受能力。

2 信號(hào)分析原理

對(duì)于高速電路板，往往要進(jìn)行信號(hào)完整性分析，以便分辨信號(hào)間的匹配關(guān)系。對(duì)于低速電路板，在實(shí)際工作中，尤其是國(guó)產(chǎn)化替代中，也出現(xiàn)了很多信號(hào)匹配問(wèn)題，此類問(wèn)題也可以通過(guò)信號(hào)完整性分析的方法，對(duì)電路握手信號(hào)進(jìn)行詳細(xì)分析，并給出最佳配合方案，以及配合后最小冗余度產(chǎn)生在什么地方等信息，以便對(duì)極限條件下的電路使用情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

對(duì)于元器件的信號(hào)而言，一般通過(guò)兩類參數(shù)進(jìn)行約束。一類是直流參數(shù)，規(guī)定了信號(hào)配合的電平關(guān)系，一類是交流參數(shù)，用于對(duì)信號(hào)的建立時(shí)間，保持時(shí)間和延遲等參數(shù)進(jìn)行約束。如果兩只集成電路進(jìn)行配合使用，一定要對(duì)其直流參數(shù)和交流參數(shù)進(jìn)行充分約束，這樣才能保證兩只集成電路的配合能夠達(dá)到最佳狀態(tài)[4]。

3 案例1

國(guó)產(chǎn)某型號(hào)80186產(chǎn)品，與之相配合工作的是一款FPGA芯片。由于80186屬于早期設(shè)計(jì)品種，因此其接口電路為異步時(shí)序電路。而FPGA設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)的時(shí)候，是依照同步電路的思想，以CLKOUT端口為同步時(shí)鐘，在CLKOUT的上升沿檢測(cè)是否WR信號(hào)為低電平，一旦發(fā)現(xiàn)低電平，就要從80186的地址總線和數(shù)據(jù)總線上取得數(shù)據(jù)。原本這個(gè)設(shè)計(jì)，在使用進(jìn)口元器件的時(shí)候，沒(méi)有出現(xiàn)問(wèn)題，因?yàn)檫M(jìn)口元器件生產(chǎn)過(guò)程已經(jīng)固化了，而且其輸出信號(hào)如圖1所示，雖然時(shí)序較緊張，但是由于進(jìn)口元器件在WR的下降沿，其地址總線和數(shù)據(jù)總線也同時(shí)穩(wěn)定的發(fā)生變化，因此在CLKOUT的上升沿，能夠采到有效數(shù)據(jù)。但是在國(guó)產(chǎn)化替代中，由于對(duì)用戶需求不了解，所以在國(guó)產(chǎn)80186手冊(cè)里面，沒(méi)有對(duì)輸出進(jìn)行有效約束，這就導(dǎo)致在低溫條件下（如圖2所示），在WR的下降沿、地址總線和數(shù)據(jù)總線在發(fā)生跳變的時(shí)間點(diǎn)，CLKOUT的上升沿同步時(shí)鐘到來(lái)，此時(shí)FPGA將采進(jìn)一個(gè)變化的數(shù)據(jù)，而不是預(yù)期的數(shù)據(jù)，這樣就導(dǎo)致后面出現(xiàn)了運(yùn)算錯(cuò)誤。

圖1 采用進(jìn)口80186的時(shí)序圖

圖2 采用國(guó)產(chǎn)80186的時(shí)序圖

從原理上講，80186的設(shè)計(jì)約束中，其端口約束都是異步時(shí)序約束。對(duì)于WR信號(hào)，大多數(shù)時(shí)候應(yīng)用了WR的上升沿來(lái)取得地址總線和數(shù)據(jù)總線的信號(hào)，此時(shí)信號(hào)非常穩(wěn)定，有足夠的建立時(shí)間和保持時(shí)間，因此該80186在其它國(guó)產(chǎn)化替代中并沒(méi)有出現(xiàn)問(wèn)題[5]。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，由于設(shè)計(jì)人員在FPGA端進(jìn)行了同步操作，而導(dǎo)致WR的下降沿到CLKOUT的上升沿時(shí)序緊張，再加上國(guó)產(chǎn)化的芯片在WR的下降沿地址和數(shù)據(jù)總線有一個(gè)緩慢變化過(guò)程，而這個(gè)緩慢變化的過(guò)程正好加劇了時(shí)序緊張的程度，從而導(dǎo)致在特定溫度（低溫）下，電路板級(jí)反應(yīng)出錯(cuò)。

由于原理確認(rèn)清晰，其改正方法也很簡(jiǎn)單，就是在FPGA中，重新規(guī)定在WR低電平后第二個(gè)CLKOUT的上升沿再實(shí)現(xiàn)同步采集地址和數(shù)據(jù)總線。此時(shí)信號(hào)建立已經(jīng)穩(wěn)定，并且不會(huì)出錯(cuò)。而且更改后的設(shè)計(jì)，能夠提供更高的穩(wěn)定性。

4 案例2

為了能夠從電路設(shè)計(jì)級(jí)評(píng)估系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在國(guó)產(chǎn)化替代中，推薦采用事前評(píng)估的方式，根據(jù)電路連接關(guān)系來(lái)評(píng)估電路對(duì)信號(hào)匹配的要求。表1是國(guó)產(chǎn)化80196和PSD4235配合的關(guān)系。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，由于采用了國(guó)產(chǎn)化的器件替代進(jìn)口元器件，因此需要從理論上分析替代前后電路板的信號(hào)有沒(méi)有變化，是否會(huì)對(duì)可能的惡劣環(huán)境有足夠的適應(yīng)性。哪個(gè)配合信號(hào)是系統(tǒng)的最薄弱環(huán)節(jié)，其信號(hào)值在最差工作條件下還有多少冗余量以保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。從接口關(guān)系上看，在直流參數(shù)和交流參數(shù)兩個(gè)方面，兩款器件都會(huì)相互影響，尤其是雙向的地址/數(shù)據(jù)總線相互連接，更是需要嚴(yán)格配合才能正確工作。

表1 80196和PSD4235的信號(hào)連接關(guān)系和交直流參數(shù)關(guān)系

表2是直流電平匹配分析，從這一列表可以看出，當(dāng)80196進(jìn)行了信號(hào)輸出時(shí)，按規(guī)定應(yīng)該低于0.45V是低電平，而高于4.3V算是高電平。對(duì)于PSD4235的輸入來(lái)講，其收到0.45V的電平，低于最低輸入電平0.8V，并且有很好的冗余度，因此在低電平方面信號(hào)配合很好，沒(méi)有問(wèn)題。高電平方面，當(dāng)80196在最差條件即使輸出了4.3V的電平，對(duì)于PSD4235的2.0V認(rèn)為是輸入高電平的輸入來(lái)講，也是有很大的冗余度。所以本設(shè)計(jì)的連接關(guān)系在直流配合方面沒(méi)有問(wèn)題。

交流方面的配合關(guān)系見(jiàn)表3和表4，一個(gè)是PSD4235對(duì)80196的要求部分，這部分的冗余量最差條件時(shí)達(dá)到32ns，另一個(gè)是80196對(duì)PSD4235的要求部分，這部分的冗余量最差條件是0ns，發(fā)生在讀保持時(shí)間上，這個(gè)冗余度就不足。

表2 部分直流電平匹配分析

表3 部分交流時(shí)序匹配分析（PSD4235需求部分）

表4 部分交流時(shí)序匹配分析（80196需求部分）

為了確認(rèn)讀保持時(shí)間冗余度的實(shí)際數(shù)值，對(duì)PSD4235做了實(shí)際測(cè)試。測(cè)試發(fā)現(xiàn)雖然手冊(cè)上面控制到0ns，但是實(shí)際上PSD4235的CLKOUT上有半個(gè)周期時(shí)間，大約是45ns時(shí)間，其數(shù)據(jù)總線仍然有效。基于這樣一個(gè)實(shí)測(cè)數(shù)值，在PSD4235的考核里面，把原來(lái)讀保持時(shí)間的0ns手冊(cè)值改到了30ns，這樣就相當(dāng)于從PSD4235的考核端，建立了一個(gè)30ns的冗余度，從而保證經(jīng)過(guò)篩選的芯片，能夠很好的進(jìn)行工作配合。

從整體上看，最終的冗余度仍然是讀保持時(shí)間，最終控制到了30ns。這個(gè)配置完成后，由于在兩款集成電路配合中，沒(méi)有引入其它集成電路，所以可以保證這兩款集成電路能夠處于安全的工作狀態(tài)。最終通過(guò)電路板的布局分析，認(rèn)為電路配合冗余量達(dá)到25ns，能夠在控制溫度之內(nèi)保證工作。并能夠承受較高的極限工作環(huán)境，電路配合工作的參數(shù)控制合理，可以保證產(chǎn)品的批次性質(zhì)量[7]。

5 結(jié)束語(yǔ)

元器件的參數(shù)受工藝影響在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，因此各個(gè)批次之間的參數(shù)不完全相同，甚至存在較大差異。一般情況下，無(wú)論是進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化替代還是進(jìn)行新的電路設(shè)計(jì)，信號(hào)之間的配合關(guān)系一定要進(jìn)行實(shí)際考慮。只有把元器件之間的信號(hào)配合和冗余度做到最大，才能保證電路板的質(zhì)量、壽命，以及在極端條件下仍能正常工作[8]。

元器件國(guó)產(chǎn)化是大勢(shì)所趨，在進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化替代過(guò)程中，一定要準(zhǔn)確分析元器件之間的信號(hào)配合關(guān)系，并保證測(cè)試檢驗(yàn)的控制參數(shù)能夠準(zhǔn)確表達(dá)電路板配合的實(shí)際需求，以保證元器件的替代質(zhì)量。

[1]畢錦棟,鄭麗香,周軍連,等.電子元器件國(guó)產(chǎn)化替代工作探討[J].質(zhì)量與可靠性,2015（3）:35-40. Bi Jindong,Zheng Lixiang,Zhou Junlian,et al.Electronic Components Localization Discuss [J].QUALITY AND RELIABILITY,2015（3）:35-40.

[2]王杰.大型復(fù)雜電子系統(tǒng)電子元器件選用與管理方法研究[J].環(huán)境技術(shù),2012（4）:33-36. WANG Jie.Research on the Selection and Management Method of The Electronic Components to Large and Complex Electronic Information Systems[J].Environmental Technology,2012（4）:33-36.

[3]張倩.提高我國(guó)集成電路國(guó)產(chǎn)化率的研究[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2014,33（8）:34-38. Zhang Qian.Research on improving the localization rate of China’s IC[J].FOREIGN ELECTRONIC MEASUREMENT TECHNOLOGY,2014,33（8）:34-38

[4]郭霞,楊濤,張浩.高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號(hào)完整性分析[J].電子科技,2008（1）:31-33. Guo Xia,Yang Tao,Zhang Hao.Signal Integrity Analysis of High-speed Signal Collection System[J].ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY,2008（1）:31-33.

[5]Intelcorporation.80186XL/80C188XL Microprocessor User’s Manual[Z].Intel corporation.1995.

[6]Intel Corporation.8XC196KC/8XC196KC20 COMMERCIAL/EXPRESS CHMOS MICROCONTROLLER[Z].Intel corporation.1994

[7]魯國(guó)斌.基于信號(hào)完整性分析的高速數(shù)字PCB板設(shè)計(jì)方法[J].航空電子技術(shù),2008,39（2）:39-42. LU Guobin.A Design Method of High Speed PCB Based on SI Analysis[J].AVIONICS TECHNOLOGY,2008,39（2）: 39-42.

[8]莫建強(qiáng).信號(hào)完整性分析及其在高速數(shù)字設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[D].成都：電子科技大學(xué)，2008. Mo Jianqiang.Signal Integrity Analysis And Application In High Speed Digital Circuit[D].CHENG DU:UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA,2008.

Application of Signal-Analysis in IC Localization Replacement

Hu Ziyang
（The 47th Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation,Shenyang 110032,China）

Integrate circuit(IC)is wildly used in common devices such as computer,electric power, finance,communications setting and in military equipment such as aviation,spaceflight,electronic device,watercraft,weapon and nuclear industry.Chinese electronic devices,especially military devices, are suffered from the problems of stop production,export restriction,security question,false product,test trouble，etc.IC localization is significant in practice and military.Because of different design and process,some matching questions occur in localization IC replacement，which can be avoided through signal analysis.There are two examples to explain the importance of signal analysis in localization.

Localization；IC；Signal analysis；Circuit system；Reliability；Match

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.01.006

TN47

B

1002-2279-（2017）01-0019-04

胡子陽(yáng)（1978-），男，遼寧省鐵嶺市人，高級(jí)工程師，碩士，主研方向：集成電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

2016-07-19