信號分析在集成電路國產化替代中的應用

胡子陽

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

信號分析在集成電路國產化替代中的應用

胡子陽

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

以集成電路為代表的各種電子元器件，廣泛應用于計算機、電力、金融、通信設備等公共設施和航空、航天、電子、船舶、兵器、核工業等各種武器裝備和軍事設備上[1]。我國電子設備尤其是軍用電子設備選用進口電子元器件主要面臨停產斷檔、出口限制與禁運、存在安全隱患、假冒偽劣以及篩選測試困難等多種問題。因此，電子元器件國產化具有重大的現實和軍事意義[2]。在元器件國產化推進過程中，由于集成電路的設計和工藝不同，在替代中會出現諸多信號匹配問題，此類問題如果通過細致的信號分析，可以避免大多數的故障問題發生。以兩個案例為基礎，闡述信號分析在集成電路國產化替代中的重要作用。

國產化；元器件；信號分析；電路系統；可靠性；匹配

1 引言

電子元器件是組成電子系統的最小單元，電子元器件的選用與管理是電子系統設計中最關鍵的一步，也是系統質量和可靠性的基礎。目前我國大部分高端集成電路需要從歐美發達國家進口。據不完全統計，2013年全球半導體市場規模3200億美元，而全球54%的集成電路出口到中國。國外壟斷高端電子元器件不僅直接阻礙我國電子信息產業發展，而且國外電子元器件面臨停產斷檔、限制出口與禁運、存在安全隱患以及假冒偽劣等問題，嚴重影響和制約我國國民經濟和武器裝備的發展，甚至威脅國家安全。因此，電子元器件國產化具有重大的現實和軍事意義[3]。

在元器件國產化推進過程中，由于集成電路的設計和工藝不同，在替代中會出現諸多信號匹配問題。此類問題大部分發生在元器件之間相互配合的握手是否充分上。在元器件國產化替代過程中，通過細致的信號分析，可以起到對電路板級進行增進了解的作用，并能避免大多數故障問題的發生，在許多時候還能夠提高整機系統的惡劣環境耐受能力。

2 信號分析原理

對于高速電路板，往往要進行信號完整性分析，以便分辨信號間的匹配關系。對于低速電路板，在實際工作中，尤其是國產化替代中，也出現了很多信號匹配問題，此類問題也可以通過信號完整性分析的方法，對電路握手信號進行詳細分析，并給出最佳配合方案，以及配合后最小冗余度產生在什么地方等信息，以便對極限條件下的電路使用情況進行監測。

對于元器件的信號而言，一般通過兩類參數進行約束。一類是直流參數，規定了信號配合的電平關系，一類是交流參數，用于對信號的建立時間，保持時間和延遲等參數進行約束。如果兩只集成電路進行配合使用，一定要對其直流參數和交流參數進行充分約束，這樣才能保證兩只集成電路的配合能夠達到最佳狀態[4]。

3 案例1

國產某型號80186產品，與之相配合工作的是一款FPGA芯片。由于80186屬于早期設計品種，因此其接口電路為異步時序電路。而FPGA設計人員在設計的時候，是依照同步電路的思想，以CLKOUT端口為同步時鐘，在CLKOUT的上升沿檢測是否WR信號為低電平，一旦發現低電平，就要從80186的地址總線和數據總線上取得數據。原本這個設計，在使用進口元器件的時候，沒有出現問題，因為進口元器件生產過程已經固化了，而且其輸出信號如圖1所示，雖然時序較緊張，但是由于進口元器件在WR的下降沿，其地址總線和數據總線也同時穩定的發生變化，因此在CLKOUT的上升沿，能夠采到有效數據。但是在國產化替代中，由于對用戶需求不了解，所以在國產80186手冊里面，沒有對輸出進行有效約束，這就導致在低溫條件下（如圖2所示），在WR的下降沿、地址總線和數據總線在發生跳變的時間點，CLKOUT的上升沿同步時鐘到來，此時FPGA將采進一個變化的數據，而不是預期的數據，這樣就導致后面出現了運算錯誤。

圖1 采用進口80186的時序圖

圖2 采用國產80186的時序圖

從原理上講，80186的設計約束中，其端口約束都是異步時序約束。對于WR信號，大多數時候應用了WR的上升沿來取得地址總線和數據總線的信號，此時信號非常穩定，有足夠的建立時間和保持時間，因此該80186在其它國產化替代中并沒有出現問題[5]。在這個設計中，由于設計人員在FPGA端進行了同步操作，而導致WR的下降沿到CLKOUT的上升沿時序緊張，再加上國產化的芯片在WR的下降沿地址和數據總線有一個緩慢變化過程，而這個緩慢變化的過程正好加劇了時序緊張的程度，從而導致在特定溫度（低溫）下，電路板級反應出錯。

由于原理確認清晰，其改正方法也很簡單，就是在FPGA中，重新規定在WR低電平后第二個CLKOUT的上升沿再實現同步采集地址和數據總線。此時信號建立已經穩定，并且不會出錯。而且更改后的設計，能夠提供更高的穩定性。

4 案例2

為了能夠從電路設計級評估系統的穩定性，在國產化替代中，推薦采用事前評估的方式，根據電路連接關系來評估電路對信號匹配的要求。表1是國產化80196和PSD4235配合的關系。在這個設計中，由于采用了國產化的器件替代進口元器件，因此需要從理論上分析替代前后電路板的信號有沒有變化，是否會對可能的惡劣環境有足夠的適應性。哪個配合信號是系統的最薄弱環節，其信號值在最差工作條件下還有多少冗余量以保證系統穩定工作。從接口關系上看，在直流參數和交流參數兩個方面，兩款器件都會相互影響，尤其是雙向的地址/數據總線相互連接，更是需要嚴格配合才能正確工作。

表1 80196和PSD4235的信號連接關系和交直流參數關系

表2是直流電平匹配分析，從這一列表可以看出，當80196進行了信號輸出時，按規定應該低于0.45V是低電平，而高于4.3V算是高電平。對于PSD4235的輸入來講，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配合很好，沒有問題。高電平方面，當80196在最差條件即使輸出了4.3V的電平，對于PSD4235的2.0V認為是輸入高電平的輸入來講，也是有很大的冗余度。所以本設計的連接關系在直流配合方面沒有問題。

交流方面的配合關系見表3和表4，一個是PSD4235對80196的要求部分，這部分的冗余量最差條件時達到32ns，另一個是80196對PSD4235的要求部分，這部分的冗余量最差條件是0ns，發生在讀保持時間上，這個冗余度就不足。

表2 部分直流電平匹配分析

表3 部分交流時序匹配分析（PSD4235需求部分）

表4 部分交流時序匹配分析（80196需求部分）

為了確認讀保持時間冗余度的實際數值，對PSD4235做了實際測試。測試發現雖然手冊上面控制到0ns，但是實際上PSD4235的CLKOUT上有半個周期時間，大約是45ns時間，其數據總線仍然有效。基于這樣一個實測數值，在PSD4235的考核里面，把原來讀保持時間的0ns手冊值改到了30ns，這樣就相當于從PSD4235的考核端，建立了一個30ns的冗余度，從而保證經過篩選的芯片，能夠很好的進行工作配合。

從整體上看，最終的冗余度仍然是讀保持時間，最終控制到了30ns。這個配置完成后，由于在兩款集成電路配合中，沒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。最終通過電路板的布局分析，認為電路配合冗余量達到25ns，能夠在控制溫度之內保證工作。并能夠承受較高的極限工作環境，電路配合工作的參數控制合理，可以保證產品的批次性質量[7]。

5 結束語

元器件的參數受工藝影響在一定范圍內波動，因此各個批次之間的參數不完全相同，甚至存在較大差異。一般情況下，無論是進行國產化替代還是進行新的電路設計，信號之間的配合關系一定要進行實際考慮。只有把元器件之間的信號配合和冗余度做到最大，才能保證電路板的質量、壽命，以及在極端條件下仍能正常工作[8]。

元器件國產化是大勢所趨，在進行國產化替代過程中，一定要準確分析元器件之間的信號配合關系，并保證測試檢驗的控制參數能夠準確表達電路板配合的實際需求，以保證元器件的替代質量。

[1]畢錦棟,鄭麗香,周軍連,等.電子元器件國產化替代工作探討[J].質量與可靠性,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.大型復雜電子系統電子元器件選用與管理方法研究[J].環境技術,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.提高我國集成電路國產化率的研究[J].國外電子測量技術,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.高速數據采集系統的信號完整性分析[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]魯國斌.基于信號完整性分析的高速數字PCB板設計方法[J].航空電子技術,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.信號完整性分析及其在高速數字設計中的應用[D].成都：電子科技大學，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（1978-），男，遼寧省鐵嶺市人，高級工程師，碩士，主研方向：集成電路設計與應用。

2016-07-19