基于EDA技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)模擬應(yīng)用電路的應(yīng)用？

EDA軟件作為集成電路領(lǐng)域的基礎(chǔ)工具，全面貫穿集成電路設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)等環(huán)節(jié)。芯片作為集成電路的載體，其設(shè)計(jì)與制造是細(xì)微而宏大的工程。對(duì)于芯片的設(shè)計(jì)與制造，EDA軟件可謂舉足輕重。

EDA技術(shù)簡(jiǎn)述

EDA(Electronic Design Automation，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)是指用于輔助完成大規(guī)模集成電路芯片的功能設(shè)計(jì)、綜合、驗(yàn)證、制造、封裝、測(cè)試整個(gè)流程的計(jì)算機(jī)軟件工具集群。 EDA是工業(yè)軟件行業(yè)中的一個(gè)細(xì)分行業(yè)。近期e-works隆重發(fā)布的《工業(yè)軟件與服務(wù)選型指南(第二版)》中提到，工業(yè)軟件是用于支撐工業(yè)企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)、工藝規(guī)劃、制造、營(yíng)銷、采購(gòu)、運(yùn)營(yíng)和服務(wù)等核心業(yè)務(wù)的一系列工具類和管理類軟件的統(tǒng)稱，可分為研發(fā)數(shù)字化軟件、管理數(shù)字化軟件、工控軟件和工業(yè)基礎(chǔ)軟件四大類。其中EDA與CAD、CAE、CAM、PLM等軟件都?xì)w屬于工業(yè)軟件的研發(fā)數(shù)字化軟件類別。

狹義的EDA一般指芯片設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)所需的軟件工具;廣義的EDA則包括從芯片設(shè)計(jì)、制造到封裝測(cè)試各環(huán)節(jié)所需的軟件工具。其涵蓋了電子設(shè)計(jì)、仿真、驗(yàn)證、制造全過(guò)程的所有技術(shù)，例如：系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真，電路設(shè)計(jì)與仿真，PCB(印制電路板)設(shè)計(jì)與校驗(yàn)，IC版圖設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和測(cè)試，數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)，模擬電路設(shè)計(jì)，數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)，SoC(芯片上系統(tǒng))設(shè)計(jì)，PLD(可編程邏輯器件)設(shè)計(jì)，ASIC(專用集成電路)設(shè)計(jì)技術(shù)等。 一般意義上來(lái)說(shuō)，從納米級(jí)的器件晶體管，到集成電路、顯卡、收音機(jī)、家用電器、手機(jī)電腦、車載電子系統(tǒng)，與電子設(shè)備和裝備相關(guān)的設(shè)計(jì)、仿真、驗(yàn)證等步驟，都和EDA息息相關(guān)。

綜上，本文將電路設(shè)計(jì)與仿真軟件、芯片設(shè)計(jì)與制造軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件都?xì)w為EDA軟件的范疇。 隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷進(jìn)步，EDA技術(shù)也獲得了飛速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也變得越來(lái)越廣泛。其發(fā)展過(guò)程是現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)技術(shù)的重要?dú)v史進(jìn)程，主要包括以下幾個(gè)階段：

主流EDA廠商巡禮

EDA軟件行業(yè)流傳著這么一句話：“誰(shuí)掌握了EDA的話語(yǔ)權(quán)，誰(shuí)就掌握了集成電路的命門，就可以對(duì)芯片行業(yè)的后來(lái)者降維打擊?！?

(一)國(guó)際主流EDA廠商

眾所周知，全球EDA市場(chǎng)寡頭壟斷，集中度較高。新思科技Synopsys、楷登電子Cadence、西門子EDA和ANSYS被稱為EDA軟件的“四大金剛”。公開(kāi)資料顯示，其在全球EDA市場(chǎng)的占比接近80%?！八拇蠼饎偂钡膲艛嘀畡?shì)，或是源于其能提供完整的EDA工具，覆蓋從前端設(shè)計(jì)、后端設(shè)計(jì)、仿真/驗(yàn)證直到流片的整套產(chǎn)品，形成設(shè)計(jì)的閉環(huán);或是在擅長(zhǎng)的領(lǐng)域苦心經(jīng)營(yíng)，在芯片設(shè)計(jì)與制造流程的不同環(huán)節(jié)形成獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮著關(guān)鍵作用。此外，國(guó)際上還有Silvaco、Keysight、Altium、Zuken等EDA廠商，在各自擅長(zhǎng)的領(lǐng)域不斷深耕。

Synopsys：擁有最全面的產(chǎn)品線，為全球電子市場(chǎng)提供技術(shù)先進(jìn)的芯片設(shè)計(jì)與驗(yàn)證平臺(tái)。其優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品在于數(shù)字芯片設(shè)計(jì)、邏輯、綜合等相關(guān)工具，如公司的邏輯綜合工具Design Compiler、靜態(tài)時(shí)序分析工具Prime Time、物理驗(yàn)證工具IC Validator等。

Cadence：由SDA Systems和ECAD兩家公司合并而來(lái)，產(chǎn)品涵蓋了電子設(shè)計(jì)的整個(gè)流程，包括系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)、功能驗(yàn)證、集成電路綜合及布局布線、物理驗(yàn)證、模擬混合信號(hào)及射頻集成電路設(shè)計(jì)、全定制集成電路設(shè)計(jì)、硬件仿真建模等。其優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品在于模擬芯片設(shè)計(jì)相關(guān)工具。

西門子EDA：前身為Mentor Graphics，2016年被西門子收購(gòu)后，2021年正式更名為西門子EDA。其能提供完整的軟件和硬件設(shè)計(jì)解決方案，在后端布局布線領(lǐng)域較有優(yōu)勢(shì)。在PCB設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)也有優(yōu)勢(shì)，如PowerPCB、Expedition PCB等產(chǎn)品在PCB設(shè)計(jì)領(lǐng)域都占有一席之地。 Ansys：2008年4月，已在機(jī)械制造仿真領(lǐng)域確立了王者地位的Ansys，以5.4億美元的價(jià)格，收購(gòu)了EDA廠商Ansoft(Ansoft在電路板的高頻仿真領(lǐng)域，建立了自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì))。此次收購(gòu)后，Ansys具備了系統(tǒng)級(jí)和封裝級(jí)的仿真軟件，主要專注在芯片的簽核和仿真領(lǐng)域。其RedHawk軟件在半導(dǎo)體的功耗設(shè)計(jì)優(yōu)化及芯片供電領(lǐng)域具有舉足輕重的位置。

Silvaco：其產(chǎn)品用于TCAD工藝和器件仿真、Spice參數(shù)提取、電路仿真、全定制IC設(shè)計(jì)/驗(yàn)證等，專注于模擬/混合信號(hào)芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域。Silvaco將最優(yōu)產(chǎn)品與經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)支持和工程服務(wù)結(jié)合在一起，提供一套完備的模擬半導(dǎo)體工藝、器件和自動(dòng)化設(shè)計(jì)方案，用于CMOS、雙極、SiGe和復(fù)合材料技術(shù)等。其研發(fā)的器件建模工具Victory TCAD處于業(yè)界領(lǐng)導(dǎo)地位。

Keysight：是德科技是全球電子測(cè)試測(cè)量行業(yè)龍頭，專注于電子和光信號(hào)的測(cè)試測(cè)量，是通信產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域領(lǐng)先的EDA廠商。其EDA工具套件可與器件建模、電路設(shè)計(jì)、電磁仿真、版圖功能和系統(tǒng)級(jí)建模等工具無(wú)縫集成。

Altium：致力于開(kāi)發(fā)基于PC的軟件，為印刷電路板(PCB)提供輔助設(shè)計(jì)。公司所推出的第一套DOS版本PCB設(shè)計(jì)工具被澳大利亞電子行業(yè)廣泛接受。隨著PCB設(shè)計(jì)包的成功，Altium開(kāi)始擴(kuò)大產(chǎn)品范圍，所生產(chǎn)的產(chǎn)品包括原理圖輸入、PCB自動(dòng)布線以及自動(dòng)PCB元件布局軟件。其電路原理圖設(shè)計(jì)工具Protel是目前EDA行業(yè)中操作快捷的輔助工具。

Zuken：是專門從事PCB/MCM/Hybrid和IC封裝設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)、銷售和提供支持服務(wù)的EDA廠商，專注于PCB、線束和芯片封裝等領(lǐng)域。

電子電路設(shè)計(jì)是較為深?yuàn)W的一門知識(shí)，學(xué)習(xí)電子電路設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)時(shí)，需保持一定耐心。對(duì)于電子電路設(shè)計(jì)，小編曾對(duì)電子電路設(shè)計(jì)的原則、方法、步驟做過(guò)講解。本文中，將主要介紹EDA技術(shù)在電子電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。如果你對(duì)本文即將探討的內(nèi)容存在一定興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

EDA技術(shù)是20世紀(jì)90年代初迅速發(fā)展起來(lái)的一門新技術(shù)，代表了當(dāng)今電子設(shè)計(jì)的最新發(fā)展方向，其是以計(jì)算機(jī)為工作平臺(tái)，融合了應(yīng)用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能化技術(shù)等多種技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品的自動(dòng)化設(shè)計(jì)。EDA技術(shù)也是高度發(fā)達(dá)的信息化社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，其應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，主要電子產(chǎn)業(yè)包括：通信工業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)、半導(dǎo)體工業(yè)、電子零組件工業(yè)、消費(fèi)性電子工業(yè)、光電及儀表工業(yè)等行業(yè)，是現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)的核心，在現(xiàn)代電子電路設(shè)計(jì)中起著非常重要的作用。

1.EDA技術(shù)的發(fā)展

隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，EDA技術(shù)的含量正以驚人的速度上升，其產(chǎn)生和發(fā)展，使產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期大大縮短，且性能和價(jià)格比得到很大程度的提高。歸納起來(lái)其發(fā)展主要分為四個(gè)階段：

(1)70年代為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)階段。人們開(kāi)始用計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行IC版圖編輯、PCB布局布線，取代了手工操作。

(2)80年代為計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)階段。與CAD相比，CAE除了有純粹的圖形繪制功能外，又增加了電路功能設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且通過(guò)電氣連接網(wǎng)絡(luò)表將兩者結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了工程設(shè)計(jì)。CAE的主要功能是：原理圖輸入，邏輯仿真，電路分析，自動(dòng)布局布線，PCB后分析。

(3)90年代為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)階段。

(4)現(xiàn)代EDA技術(shù)就是以計(jì)算機(jī)為工具，在EDA軟件平臺(tái)上，根據(jù)硬件描述語(yǔ)言HDL完成的設(shè)計(jì)文件，能自動(dòng)地完成用軟件方式描述的電子系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的邏輯編譯、邏輯化簡(jiǎn)、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化、布局布線、邏輯仿真，直至完成對(duì)于特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。

2.EDA技術(shù)的主要內(nèi)容

ESDA代表了當(dāng)今電子設(shè)計(jì)技術(shù)的最新發(fā)展方向，其基本特征是：設(shè)計(jì)人員按照“自頂向下”的設(shè)計(jì)方法，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和功能劃分，系統(tǒng)的關(guān)鍵電路用一片或幾片專用集成電路(ASIC)實(shí)現(xiàn)，然后采用硬件描述語(yǔ)言(HDL)完成系統(tǒng)行為級(jí)設(shè)計(jì)，最后通過(guò)綜合器和適配器生成最終的目標(biāo)器件。這樣的設(shè)計(jì)方法被稱為高層次的電子設(shè)計(jì)方法。

“自頂向下”(Top-Down)的全新設(shè)計(jì)方法，首先從系統(tǒng)設(shè)計(jì)人手，在頂層進(jìn)行功能方框圖的劃分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在方框圖一級(jí)進(jìn)行仿真、糾錯(cuò)，并用硬件描述語(yǔ)言對(duì)高層次的系統(tǒng)行為進(jìn)行描述，在系統(tǒng)一級(jí)進(jìn)行驗(yàn)證。然后用綜合優(yōu)化工具生成具體門電路的網(wǎng)表，其對(duì)應(yīng)的物理實(shí)現(xiàn)級(jí)可以是印刷電路板或?qū)Ｓ眉呻娐?。由于設(shè)計(jì)的主要仿真和調(diào)試過(guò)程是在高層次上完成的，這一方面有利于早期發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的錯(cuò)誤，避免設(shè)計(jì)工作的浪費(fèi)，同時(shí)也減少了邏輯功能仿真的工作量，提高了設(shè)計(jì)的一次成功率。

現(xiàn)代電子產(chǎn)品的復(fù)雜度日益加深，一個(gè)電子系統(tǒng)可能由數(shù)萬(wàn)個(gè)中小規(guī)模集成電路構(gòu)成，這就帶來(lái)了體積大，功耗大，可靠性差的問(wèn)題，解決這一問(wèn)題的有效方法就是采用ASIC(Application Specific Integrated Circuits)芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。ASIC按照設(shè)計(jì)方法的不同可分為：全定制ASIC，半定制ASIC，可編程ASIC(也稱為可編程邏輯器件)。

在設(shè)計(jì)全定制ASIC芯片時(shí)，設(shè)計(jì)師要定義芯片上所有晶體管的幾何圖形和工藝規(guī)則，最后將設(shè)計(jì)結(jié)果交由lC廠家掩膜制造完成。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是：芯片可以獲得最優(yōu)的性能，即面積利用率高、速度快、功耗低;缺點(diǎn)是：開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，費(fèi)用高，只適合大批量產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)技術(shù)在現(xiàn)代電子領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用。仿真工具是EDA技術(shù)中的關(guān)鍵組成部分，用于驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)的性能和功能。本文將介紹常見(jiàn)的EDA仿真工具，包括電路仿真、時(shí)序仿真和射頻仿真工具，并討論如何使用這些工具進(jìn)行電路仿真和驗(yàn)證。

一、電路仿真工具

電路仿真是EDA技術(shù)中最基本和常用的仿真類型之一，用于評(píng)估和驗(yàn)證電路在各種條件下的行為和性能。以下是幾個(gè)常見(jiàn)的電路仿真工具：

1.SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)：

SPICE是最早的模擬電路仿真工具之一，廣泛應(yīng)用于集成電路設(shè)計(jì)和分析。它通過(guò)數(shù)學(xué)模型和方程組求解來(lái)模擬電路的行為，并提供了準(zhǔn)確的電路分析結(jié)果。

2.LTspice：

LTspice是一種基于SPICE的免費(fèi)電路仿真工具，由Linear Technology(現(xiàn)在的ADI)開(kāi)發(fā)和維護(hù)。它具有直觀的用戶界面和強(qiáng)大的仿真引擎，可用于快速建模和仿真電路。

3.Multisim：

Multisim是National Instruments公司開(kāi)發(fā)的一款集成電路設(shè)計(jì)與仿真軟件。它提供了可視化的電路設(shè)計(jì)和仿真環(huán)境，支持多種模型和分析功能，適用于教學(xué)和工程實(shí)踐。

二、時(shí)序仿真工具

時(shí)序仿真是用于驗(yàn)證數(shù)字電路時(shí)序性能和時(shí)序邏輯的仿真類型。以下是幾個(gè)常用的時(shí)序仿真工具：

4.ModelSim：

ModelSim是一種強(qiáng)大的硬件描述語(yǔ)言(HDL)仿真和調(diào)試工具，支持常見(jiàn)的HDL語(yǔ)言，如VHDL和Verilog。它提供了豐富的調(diào)試功能，包括波形查看、信號(hào)追蹤和時(shí)序分析。

5.VCS(Verilog Compiler Simulator)：

VCS是Cadence公司開(kāi)發(fā)的一款高性能Verilog仿真工具，主要用于驗(yàn)證和調(diào)試復(fù)雜的數(shù)字電路設(shè)計(jì)。它具有快速的仿真速度和行為準(zhǔn)確性，廣泛應(yīng)用于芯片設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

6.QuestaSim：

QuestaSim是一種基于ModelSim的高級(jí)Verilog和VHDL仿真工具，由Mentor Graphics(現(xiàn)為Siemens公司)開(kāi)發(fā)。它提供了全面的仿真功能和先進(jìn)的調(diào)試工具，適用于復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

三、射頻仿真工具

射頻仿真用于分析和驗(yàn)證射頻電路和系統(tǒng)，如無(wú)線通信、雷達(dá)和衛(wèi)星通信等。以下是幾個(gè)常見(jiàn)的射頻仿真工具：

7.ADS(Advanced Design System)：

ADS是Keysight Technologies(前Agilent Technologies)開(kāi)發(fā)的一款射頻和微波電路設(shè)計(jì)和仿真工具。它提供了完整的射頻電路設(shè)計(jì)流程，包括建模、仿真、優(yōu)化和布局。

8.CST Studio Suite：

CST Studio Suite是一種全面的電磁仿真軟件，適用于射頻和微波領(lǐng)域。它能夠高度精確地模擬電磁場(chǎng)分布和射頻特性，用于設(shè)計(jì)和分析天線、射頻模塊和寬帶通信系統(tǒng)。

9.HFSS(High Frequency Structure Simulator)：

HFSS是ANSYS公司開(kāi)發(fā)的一款高頻電磁仿真軟件，廣泛用于射頻和微波電路設(shè)計(jì)。它采用有限元分析方法，具有準(zhǔn)確的求解算法和強(qiáng)大的建模能力。

四、仿真工具的使用方法和應(yīng)用

使用EDA仿真工具需要一定的電路設(shè)計(jì)和仿真知識(shí)。以下是一般的使用方法：

10.確定仿真目標(biāo)和電路原理圖：

首先，明確仿真目標(biāo)，確定需要驗(yàn)證的電路行為和性能。然后，使用電路設(shè)計(jì)工具創(chuàng)建電路原理圖，包括元件和連接。