第5章 电路级设计与仿真

第5章 电路级设计与仿真

电路设计技术是EDA 技术的核心和基础。电路设计可以分为数字电路、模拟电路、常规电路和集成电路。现代EDA 与传统的电路CAD 相比其主要区别是比较多地依赖于电路描述语言，常用的电路描述语言有描述模拟电路的SPICE （Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis ）语言，描述数字电路的硬件描述语言。弄清电路结构形式与语言的关系以及各种语言的基本功能是学习EDA 技术非常重要的环节，这也是本章的主要目的所在。

本章将从最基本的数学和物理模型出发，引入程序化模型，介绍模拟电路与仿真、数字电路与仿真。从一般的设计原理上讲，常规电路与集成电路并没有本质的区别，本章采用的例子主要以常规电路为主，其基本设计原理也同样适合于相应的集成电路，关于集成电路设计将在后续章节中详细介绍。

5.1模拟电路模型与SPICE 程序

5.1.1 模拟电路模型

电路的物理模型是指利用电路元件（如：电阻、电容、电感等无源元件，三极管、集成电路等有源元件）按照一定的电路连接方式进行连接的图形描述方法。其中电路元件是器件的物理模型，器件模型的建立以及器件的连接是按照电学参数和基本电路功能的描述为依据的。这种电路的物理模型也叫做等效电路模型，也就是我们常说的电路。

电路的物理模型是一种简化了的直观的电路图，可以十分方便地反映电路的连接关系和基本功能，但是这个模型并不能进行直接分析，如果要对电路进行分析，还需要建立电路的数学模型。电路数学模型是根据电路的物理模型和电路分析原理得到的电路行为特性及各参数之间的数学关系。

我们在《电路分析原理》中已经建立起这样的概念，这个概念是基于一些基本的电路定律和基本定理，例如基尔霍夫定律、叠加定理、代文宁定理、欧姆定律等。

基尔霍夫定律：； 0i

n 1k k =∑=0v n

1k k =∑=欧姆定律：V=IR

对于特定的电路，这些定律和定理构成了电路中物理参数之间的特定关系，这种特定关系是约束电路的基本数学模型。不同的元件具有不同的参数运算或转换关系，这种关系如表5-1所示，这是一些最基本和最简单的元件及其数学模型，复杂元件的数学模型也是由这些简单的元件按照功能需求组成的。因此，描述模拟电路的数学模型是微分方程或代数方程。

《电路分析基础》课程就是在建立了这些电路模型的基础上对电路进行分析，不论是建立电路模型或者是分析运算，电路分析是在基于电压、电流的等效模型进行的。

表5-1 电路元件及其数学描述 电路元件 符号 物理模型 数学模型(VI 关系)

R

v = R·i C

i = C·dv/dt v = L t ·di/d v = v s , i 电阻电容电感 L

电压源 Vs

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电流源 Is i = is, v = ?

电压控制电压源 VCVS vs = A V · v c, i = ?

电压控制电流源 VCCS i s = G T · v c, v = ?

电流控制电压源 CCVS vs = R T · i c, i = ?

电流控制电流源 CCCS is = A I · i c, v = ?

《电路分析基础》课程的电路模型是十分理想化的模型。这种模型反映了电路中最基本的参数关系，对于抽象出电路主要特性是十分有用的，但是，对于实际电路来说，这种模型就显得过于简单，不能真实地描述实际电路情况。在《电子线路》课程中，我们就考虑了一些实际的电路问题，尤其在高频电路中，我们已经不能忽略电路的分布参数效应，这样使得电路模型随着使用频率增大越来越复杂，为了描述一个晶体管往往要几十个参数和几十个基本元件，即便是这样也未必能够完整地描述一个实际器件的实际电路效应。但是在没有计算机的年代，电路模型的复杂度受人工运算水平和时间的制约。有了计算机以后，计算机善于解决复杂的计算问题，电路模型可以根据需要做得相当复杂，甚至同一个器件在不同的温度或不同的频率下会有无数多个物理的或数学的模型。这些模型往往还受到一些随机参数的影响，EDA技术已经替代人工处理这些电路的设计和分析问题。

计算机的电路分析必须要在数学模型的基础上建立程序化的计算机模型，模拟电路的计算机语言模型就是SPICE程序。

5.1.2 SPICE程序及其发展状况

无论是进行电路设计还是电路分析，都需要建立电路模型，设计电路是通过电路模型构造实际的电路，分析电路是通过电路模型简化实际电路。

主要的电路分析有：直流电路分析、交流电路分析、暂态分析、时域分析、频域分析、各种参数分析(通用参数扫描分析、蒙特卡罗、最坏情况分析)、温度分析、噪声分析等。对于一个复杂的电路来说，这些分析往往比较复杂，需要借助计算机分析。

如图5-1所示，计算机分析第一步是将电路的物理模型，所以电路模型建立以后，按照这个电路模型编制程序是至关重要的。

计算机分析实际上就是将电路等效为程序化模型，由计算机来处理这些程序和命令，流程如图5-1，首先确定电路模型，其次编写程序，确定分析策略，最后由计算机分析和输出分析结果。集成电路的设计制造过程如图5-2所示，在两个流程中都需要编写程序，实际上分析是为了验证设计的正确性，提高电路设计的成品率。

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图5-1 程序模型建立和计算机分析

图5-2 由物理模型到实际产品的过程

SPICE是一个通用的电路仿真程序，描述模拟电路目前仍然是以SPICE程序为主。SPICE可以分析和模拟一般条件下的各种电路特性，诸如稳态电路分析、暂态电路分析、频域分析等。电路元件主要有电阻、电容、电感、互感、独立电压源、独立电流源、各种类型的受控源、有损和无损耗传输线、开关、均匀分布的RC传输线、五类最普通的半导体器件：二极管（diodes）、双极型晶体管（BJTs）、结型场效应管（JFETs）、金属化半导体效应管（MESFETs）, 金属氧化半导体场效应管（MOSFETs）等。

这里简述一下SPICE的历史。1969-1970年美国加州大学柏克莱分校的Roher教授和他的课题组发明的电路分析程序CANCER（Computer Analysis of Nonlinear Circuits, Excluding Radiation）；1970-1972年，Roher 和Nagel将CANCER开发成为一个通用的电路仿真器。1972年出版了SPICE1版本。1975年Cohen按照Nagel 的研究得到了SPICE2A 版本。1976 年SPICE2D版本建立了新的 MOS模型。1979年 R. Newton 出版了SPICE2E 版本，1980年ASV 出版了 SPICE2G。1985年3月推出了SPICE 3，1986年5月推出了SPICE3A 7版本，这是一种交互式的电路模拟程序。其优点是用户在运行输入语句后，SPICE 3再执行用户所要求的分析。用户需分析的语句可随时用人机对话方式输入，使电路分析更灵活。版本的更新主要在于电路分析功能的扩充、算法的完善和元器件模型的更新和增加。但从2G.5版本至现在的每个版本都属于局部的变动。SPICE在1988年已定为美国国家工业标准。

SPICE3是以SPICE2G6为基础用C语言写成，在图形功能方面得到增强。它除了具有SPICE2所有优点外，还引入了短沟道MOSFET BSIM模型和GaAs MESFET模型。目前最新的版本是SPICE3F5。SPICE3F5 大大改进了原来SPICE的功能，通常也称SPICE3F5为 BSpice。另外在美国空军经费支持下，开发了XSpice。XSpice是对SPICE的改进，其中包含专门的建模子系统。BSpice与XSpice的结合可以支持数字和模拟混合仿真。

按照SPICE的程序内核，很多公司根据不同的工具软件设计需要对其进行了适当改进，分别适合于不同的工具和平台（DOS、WINDOWS、UNIX、LINUX等）。最著名的有用于原Avant！公司的HSPICE（现在为Synopsys公司所有），Cadence公司的Pspice A/D，HSPICE用于工作站UNIX系统，PSPICE用于PC机的WINDOWS系统。他们都分别在UNIX和WINDOWS系统中发展了SPICE功能。

另外还有Smartspice、SBTSpice、TSpice、Ispice、Spectre、Multisim等。SPICE程序已经是事实上的模拟电路设计和仿真标准，本书采用Smartspice或Pspice A/D进行仿真。

在利用SPICE工具进行电路仿真必须有两个条件，一个是根据器件物理结构建立起来的模型库，另一个是按被仿真电路信息编写的SPICE输入文件，最后可以仿真出按照特定结构设计的电路特性，如图5-3所示。因此在利用SPICE进行仿真时不仅需要SPICE程序，还需要特定的功能仿真库。功能库模型一般有器件厂家提供。

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图5-3 SPICE 工具进行电路仿真条件和结果

5.1.3 电路模型举例——双极性晶体三极管电路模型

电路模型在不同的工作环境下具有不同的模型，这些环境包括信号的大小、频率的高低、温度的高低等。为了进一步理解电路模型的概念，这里以双极型三极管电路模型为例进行简单的电路模型介绍。

在电路分析和设计中，为了分析含有三极管的电路，需要建立三极管的电路模型，也叫做三极管等效电路。三极管的电路模型(等效电路)被分为低频小信号、低频大信号、高频3种典型的电路模型，其中最常用的就是低频小信号电路模型。

1、低频小信号模型

低频小信号是分析和考察电子器件的—个简化分析概念，其定义如下：

低频——指电路信号频率远小于三极管工作频率。

小信号——小信号的定义包括两个方面：①输入信号电压幅度的变化使三极管基极电流变化的范围较小，基极电流的变化可以近似为线性。②上述基极电流所对应的输出处于放大区。

这时的输入信号就叫做小信号。

可以看出，小信号时三极管的输人和输出特性可以被看成是线性的。低频和小信号简化处理后，三极管就可以被看成是一个线性器件。

三极管在低频小信号状态下工作时的特点是：

①结电容和分布参数的作用不明显，在电路分析和设计时可以不考虑。是低频条件限制的结果。

②由于输入信号的幅度工作范围小(v i 的变化范围小)，因此可以认为输入信号基本没有非线性失真，三极管的输入电阻可以被认为是常数。而集电极电流也将随基极电流线性变化。这是小信号限制的结果。

在实际应用中，为了保证电路的线性特性，必须利用各种方法使电路中的三极管处于低频小信号工作状态。

三极管的小信号模型分为交流低频小信号模型和直流小信号模型。

1）交流低频小信号模型

通过对三极管结构特性的分析可知，当使用小信号概念时，经过简化可以得到三极管小信号的电路模型如图5-4所示，这个模型叫做混合π模型。

图5-4中，传输电导是一个十分重要的参数，代表了三极管电流放大的能力，实际上，由于，所以，。r be c m v /i g =b c i i β=be m r /g β=b1为基极引线电阻，一般很小(几十欧姆)，r be 是b-e结导通时的电阻，一般在千欧数量级。C ce o I /V r ??=为集电极输出电阻，一般在50K ?-100k ?。C be 是b-e结电容，C cb 是c-b结电容，C cs 是集电极c到系统地之间的引线电容。混合π模型中之所以考虑电容，是因为电容与信号和三极管的工作频率密切相关。

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图5-4 三极管小信号等效电路模型

如果进一步采用低频概念进行简化处理，就可以得到一般分析中常用的三极管低频小信号电路模型，如图5-5(a)所示，其中r be是b-e结导通电阻。可以看出，由于认为三极管工作在低频小信号状态，因此忽略了在图5-4中的电容，同时也忽略了基极引线电阻(即假设r b1

（a）三极管低频小信号模型 (b)三极管直流小信号模型

图5-5 三极管低频小信号电路模型（等效电路）

2）直流小信号模型

在分析三极管电路的特性时，还需要考虑直流条件下三极管的工作特性，这时就需要使用直流小信号模型。在图5-5(a)中用二极管的直流模型代替输入端的交流模型，并令所有电容开路，就得到了三极管在直流条件下的直流小信号模型，如图5-5(b)所示，其中r b是二极管的导通电阻，E b是二极管的管电压降。

2、大信号模型

当电路中的信号不能满足小信号条件时，就必须采用大信号模型，如图5-6所示。大信号模型的特点是，输入信号的幅度大，所引起的基极电流大，这样，三极管就会进入饱和区。大信号模型是分析三极管开关电路的基础。

图5-6(a)是三极管放大区的大信号模型，图5-6(b)是三极管饱和区大信号模型。0.3V电压是三极管的饱和压降，饱和压降会随集电极电流有微小的变化。

必须指出的是，上述大信号电路模型没有考虑频率的影响，实际上是直接利用了低频概念(即假设信号频率远远小于三极管的最高允许工作频率)。因此，实际使用中必须保证信号频率远小于三极管的最高允许工作频率。

三极管的大信号模型一般用来分析电流放大电路(功率放大电路)。

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图5-6 三极管的大信号模型

3、三极管的Spice模型

关于SPICE程序的讨论在第六章将详细叙述，本章用这个例子只是给读者了解SPICE做个准备，借此说明程序模型的基本含义。

三极管的SPICE模型有语言描述模块和电路模型与参数两种形式。

（1）三极管的SPICE描述模块

三极管的模块描述很简单，目的是提供相应的仿真计算参数。三极管的描述语句和模型语句如下。

一般SPICE描述形式：

QXXXXXXX NC NB NE MNAME

例如：

Q23 10 24 13 QMOD IC=0.6,5.0

Q50A 11 26 4 20 MOD1

其中NC, NB, 和NE分别是集电极、基极、发射极节点，NS 是衬底节点(可选)，如果不特别指定，NS 就是地。MNAME是模型名称，AREA是面积因子，OFF表示直流分析时的初始条件（可选），面积因数默认值是1.0，等等，双极型三极管的模型参数多达有四十个。

另外还可以用模型语句描述，模型语句形式是：

.MODEL mname NPN<或PNP> （PNAME=PV AL1 PNAME2=PNAL2 ……）

其中.MODEL是SPICE中元件模型的关键字，用来说明所描述的是一个器件模块，mname是所描述三极管的名字，括号中提供三极管的参数值。

SPICE2中有两种双极型晶体管模型，EM（Ebers-Moll）模型和GP（Gummel-Poon）模型，其中EM模型具有简单直观的优点。三极管EM大信号电路模型如图5-7所示。

图5-7 三极管的EM大信号等效电路模型

5.2 模拟电路设计与原理图仿真

5.2.1 仿真的基本概念

SPICE程序为模拟电路设计与仿真提供可能，SPICE程序的分析和仿真功能也完全满足了电路仿真的需要，SPICE的分析类型主要有：DC分析，DC转移曲线，瞬态分析，AC分析等，图5-8反映了仿真的基本原理。

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图5-8 SPICE仿真原理图

5.2.2 模拟电路设计与仿真

现在的基于SPICE的仿真工具同时具备原理图输入环境，因此在设计时使用原理图输入法。前台是原理图，后台仍然是靠SPICE语言支持。这种原理图输入环境比较直观，在EDA软件中已经普遍采用。例如：ORCAD软件的A/D Spice工具就是这样的一种形式。除此之外，Multisim、Protel DXP都是这种类型的软件；Silvaco的IC设计软件Scholar也采用原理图输入环境。普通的模拟电路设计软件很多，只要手头有任意一款软件就可以进行模拟电路设计与仿真。

如图5-9所示，电路图为Multisim软件环境中的555振荡器，双综示波器分别测量信号源（正弦波）及电路输出波形（方波）。波形为如图5-10所示。

图5-9 用Multisim设计的电路图

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图5-10 仿真波形图

如图5-11所示为Orcad环境下的电路图，这是一个差分放大器。测试棒测量两个差分输出电压波形，如图5-12所示。

图5-11 差分放大器电路图

图5-12 差分放大器输出波形

5.3 数字电路设计与硬件描述语言

模拟电路中的信号多半是小信号，主要工作在三极管的线性放大区。数字电路正好相反，使用的是大信号，越过放大区，工作在截止区和饱和区。利用晶体管的开关特性产生高低两个逻辑值（0，1）的信号，构成我们现在的数码世界。数字电路实际上就是开关电路，数字信号大多是二值信号。由于数字和模拟电路的上述区别，它们的模型和描述方法也完全不同。

5.3.1 数字电路模型

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1、数学模型

描述二值函数的代数是由英国数学家George Boole 提出的，因此又叫做布尔代数。由于这种数学方法被成功地用于解决开关电路和数字逻辑电路的设计和分析上，因此人们又称为逻辑代数。

逻辑代数的最基本运算是与、或、非三种，分别表示为。

与运算Y=A ·B

或运算Y=A+B

非运算 Y=A

奇妙的是由这三种简单的运算可以构成任意复杂的数字逻辑运算关系，例如：加法器可以用以下逻辑表达式表示。

???=+=AB

Co B A B A S 其中，A 、B 是两个加数，S 是加数的和，Co 是进位。

这个逻辑方程就是数字电路的数学模型，这种数学表达式和运算关系遵守逻辑代数的各种运算法则。

2、电路模型

在电路上等同于与、或、非运算逻辑的电路如图5-13（a ）（b ）（c ）所示。图中开关A 和B 有三种连接方式：即串联、并联、反相，分别对应逻辑的与、或、非。尽管图5-13的连接图物理概念很清楚，但是当电路很复杂时，就难以连接了。与、或、非运算对应的实际电路形式也并非像开关这么简单，采用这种表示方法是为了给读者建立与、或、非的运算概念，对应的电路符号如图5-14所示。图中上面的符号是国家标准符号，下面的符号是国际上通用的符号。

图5-13 与或非运算对应的电路形式

图5-14 与、或、非3种电路的符号

加法器的符号如图5-15所示，图5-14和5-15就是数字电路的电路模型。这种图本身并不表示电路的实际连接方式，不能用这样的电路去套电路定律和定理。这并不是说数字电路不符合电路定律，而是这样的数字逻辑符号组成的电路已经不能代表实际的物理连接关系。这一点对于初次接触数字电路的学生容易产生模糊概念。

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5-15 半加器电路符号

3、真值表或状态转换表

为了直观地描述数字逻辑状态变化关系，常用表格来表示信号间的逻辑关系。常用的表格形式有真值表和状态转换表，真值表常用来表示组合逻辑电路，状态转换表常用来表示时序逻辑电路。表5-1为与或非门的真值表，表中左边AB 为输入的逻辑信号，右边Y 为输出逻辑信号。更复杂的电路也是按照这种格式列表。

表5-1 与或非门真值表

表5-2所示为一个十进制计数器的状态转换表，状态转换表专门用来描述时序电路的状态转换关系，

表示当前状态值，为次一状态的值，Y 为输出信号值。

n n n Q Q Q 123111213+++n n n Q Q Q 表5-2 十进制计数器的状态转换表

4、状态转换图和波形图

为了更直观地描述时序电路状态间的转换关系，往往用状态转换图（或者称为状态流图）和波形来表示。如图5-16和5-17所示分别为表5-2计数器的状态转换图和波形曲线。

图5-16 十进制计数器状态转换图

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图5-17 十进制计数器波形图

5、硬件描述语言

以上五种描述数字电路的方法是传统数字电路课程中介绍的数字电路描述形式，也是描述中小规模数字电路的常用方法。其优点是直观、概念清楚。但是用以上方法进行复杂逻辑系统描述往往就显得十分困难。

硬件描述语言（HDL，Hardware Description Language）的诞生解决的复杂电路的EDA设计问题，担当了数字电路的程序化建模的重任，为数字电路的设计和分析提供了十分理想的工具。

硬件描述语言是电子系统硬件描述、行为描述、结构描述、数据流描述的语言。其种类很多，目前比较流行的有VHDL和Verilog HDL两种，这两种语言已经被确定为IEEE标准。

为了说明程序化模型概念，这里举一个BCD码加法器的VHDL程序如下：

LIBRARY ieee; -- 库陈述

USE ieee.std_logic_1164.ALL;

USE ieee.std_logic_unsigned.ALL;

ENTITY bcdadder IS -- 实体描述

PORT (op1, op2 : IN std_logic_vector(3 DOWNTO 0);

OUT std_logic_vector(4 DOWNTO 0)

:

result

);

END bcdadder;

ARCHITECTURE behave OF bcdadder IS --结构体描述

SIGNAL binadd :std_logic_vector(4 DOWNTO 0);

BEGIN

binadd<=op1+op2; --保存二进制之和

PROCESS(binadd)

BEGIN

IF binadd>9 THEN--进行加6校正

result <= binadd+6;

ELSE

result <= binadd;

END IF;

END PROCESS;

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END behave;

5.3.2 硬件描述语言HDL的现状与发展

（1）目前HDL发展状况

目前，硬件描述语言可谓是百花齐放，比较有代表性的有VHDL、Verilog、SystemC等等。各种语言各有所长。人们总希望选用一种统一的语言进行设计，这样会带来很多方便。目前尚没有一个比较满意的解决方案。

在2001年举行的国际HDL会议上，与会者就使用何种设计语言展开了激烈的辩论。最后，与会者投票表决：如果要启动一个芯片设计项目，他们愿意选择哪种方案?结果，仅有2票或3票赞成使用SystemC和C Level设计；而VHDL和Verilog各自获得了约20票。最后，会议主持人John Cooley明确表示：“5年后，谁也不知道这个星球会发生什么事情。”

为Verilog辩护者认为，开发一种新的设计语言是一种浪费；为SystemC辩护者认为，系统级芯片SoC 快速增长的复杂性需要新的设计方法；C语言的赞扬者认为，Verilog是硬件设计的汇编语言，而编程的标准很快就会是高级语言，Cynlib C++是最佳的选择，它速度快、代码精简；Superlog的捍卫者认为，Superlog是Verilog的扩展，可以在整个设计流程中仅提供一种语言和一个仿真器，与现有的方法兼容，是一种进化，而不是一场革命。

当然，以上所有的讨论都没有提及模拟设计。如果想设计带有模拟电路的芯片，硬件描述语言必须有模拟扩展部分，像Verilog HDL-A，既要求能够描述门级开关级，又要求具有描述物理特性的能力。

2 几种代表性的HDL语言

（1）VHDL语言

VHDL全称为Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，即超高速集成电路硬件描述语言。

随着计算机的使用，人们自然也想到象用计算机高级语言编写程序一样去写电路，从而诞生了许多描述硬件的语言。美国国防部的电子系统项目通常由多家公司承包，由于各公司技术路线不一致，许多产品不兼容，他们使用各自的设计语言，使得甲公司的设计不能被乙公司重复利用，给最后的技术文档归拢造成了许多困难。美国政府为了降低开发费用，避免重复设计，VHDL工作小组于1981年6月成立，该小组提出了一个能够满足电子设计要求的HDL；1983年第二季度，由IBM公司、TI等公司签约，组成开发小组，工作任务是提出语言版本和开发软件环境；1986年IEEE标准化组织开始工作，讨论VHDL语言标准，历时一年有余，1987年12月通过标准审查，并宣布实施，即IEEESTDl076-1987[LRM87)。1993年VHDL重新修订，形成新的标准，即IEEESTD1076-1993[93]。

（2）Verilog HDL语言

Verilog HDL是1983年由GDA（GateWay Design Automation）公司的Phil Moorby首创的。他在1984~1985年设计出了第一个名为Verilog-XL的仿真器；1986年，他对Verilog HDL的发展又作出了另一个巨大的贡献：提出了用于快速门级仿真的XL算法。

随着Verilog-XL算法的成功，Verilog HDL语言得到迅速发展。1989年，Cadence公司收购了GDA公司，Verilog HDL语言成为Cadence公司所有。1990年，Cadence公司决定公开Verilog HDL语言，于是成立了OVI （Open Verilog International）组织，负责促进Verilog HDL语言的发展。基于Verilog HDL的优越性，IEEE于1995年制定了Verilog HDL的IEEE标准，即Verilog HDL 1364-1995；2001年发布了Verilog HDL 1364-2001标准。在这个标准中，加入了Verilog HDL-A标准，使Verilog有了模拟设计描述的能力。

（3）Superlog语言

能不能在原有硬件描述语言的基础上，结合高级语言C、C++甚至Java等语言的特点，进行扩展，达到一种新的系统级设计语言标准呢?

Superlog就是在这样的背景下研制开发的系统级硬件描述语言。Verilog语言的首创者Phil Moorby和Peter

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Flake等硬件描述语言专家，在一家叫Co-Design Automation的EDA公司进行合作，开始对Verilog进行扩展研究。1999年，Co-Design公司发布了SUPERLOGTM系统设计语言，同时发布了两个开发工具：SYSTEMSIMTM和SYSTEMEXTM。一个用于系统级开发，一个用于高级验证。2001年，Co-Design公司向电子产业标准化组织Accellera发布了SUPERLOG扩展综合子集ESS，这样它就可以在今天Verilog语言的RTL级综合子集的基础上，提供更多级别的硬件综合抽象级，为各种系统级的EDA软件工具所利用。

至今为止，已超过15家芯片设计公司用Superlog来进行芯片设计和硬件开发。Superlog是一种具有良好前景的系统级硬件描述语言。但是，由于EDA公司的整合，Co-Design公司被Synopsys公司兼并，Superlog 的命运又变得扑朔迷离。

图5-18 Superlog体系结构

Superlog集合了Verilog的简洁、C语言的强大、功能验证和系统级结构设计等特征，是一种高速的硬件描述语言。其体系结构如图5-17。

①和Verilog 2K。Superlog是Verilog HDL的超集，支持最新的Verilog 2K的硬件模型。

Verilog 95

②和C++语言。Superlog提供C语言的结构、类型、指针，同时具有C++面对对象的特性。

C

Superlog

③扩展综合子集ESS。ESS提供一种新的硬件描述的综合抽象级。

④强大的验证功能。自动测试基准，如随机数据产生、功能覆盖、各种专有检查等。

Superlog的系统级硬件开发工具主要有Co- Design Automation公司的SYSTEMSIMTM和SYSTEMEXTM，同时可以结合其它的EDA工具进行开发。

（4）SystemC

随着半导体技术的迅猛发展，SoC已经成为当今集成电路设计的发展方向。在系统芯片的各个设计中，像系统定义、软硬件划分、设计实现等，业界人事一直在考虑如何满足SoC的设计要求，在寻找一种能同时实现较高层次的软件和硬件描述的系统级设计语言。

正是在这种情况下，由Synopsys公司和CoWare公司合作开发出了SystemC。1999年9月27日，40多家世界著名的EDA公司、IP公司、半导体公司和嵌入式软件公司宣布成立“开放式SystemC联盟”。著名公司Cadence也于2001年加入了SystemC联盟。SystemC从1999年9月联盟建立初期的0.9版本开始更新，从1.0版到1.1版，一直到2001年10月推出了最新的2.0版。

各种版本的SystemC都是基于C++的。图5-19为SystemC 的体系结构，图中的上层构架都是很明确地建立在下层的基础上；SystemC内核提供一个用于系统体系结构、并行、通信和同步时钟描述的模块；完全支持内核描绘以外的数据类型、用户定义数据类型；通常的通信方式，如信号、FIFO，都可以在内核的基础上建立，经常使用的计算模块也可以在内核基础上建立；如果需要，图中较低层的内容不依赖上层就可以直接使用。

实际使用中，SystemC由一组描述类库和一个包含仿真核的库组成。在用户的描述程序中，必须包括相应的类库，可以通过通常的ANSI C++编译器编译该程序。SystemC提供了软件、硬件和系统模块。用户可以在不同的层次上自由选择，建立自己的系统模型，进行仿真、优化、验证、综合等等。

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图5-19 System C 体系结构

VHDL和VeriLog HDL语言是目前最通用的两个HDL语言，本书将在后面详细介绍。

除了以上一些HDL语言以外，另外还有：

Abel HDL: 属于门级HDL，从PLD设计发展起来。相比之下，ABEL具有适用面宽、适用灵活、格式简洁、编译要求宽松等有点。据说也开始进行标准化工作。AHDL为ALTERA公司自己使用的HDL语言，PLD-CUPL为Protel DXP使用的HDL语言。

EDIF（Electronic Design Interchange Format）是用于不同数据格式的EDA工具之间的交换设计数据格式，或者说是一种网表格式。

5.4 数字电路设计与原理图仿真

数字电路设计与仿真工具很多，我们常用的有Maxplus2、Orcad、Multisim、Protel DXP、等。只要读者有任意一款数字电路EDA软件就可以进行相关的教学。

以下给出一些例题用以示意在各种不同平台上的数字电路设计与仿真。数字电路的设计方法在“数字电路”课程中已经详细介绍过了，PLD设计在后面章节中有详细介绍，以下例题只是显示在各种不同的设计环境中电路图和仿真波形，设计过程省略。

EDA工具软件的仿真需要依靠底层的仿真引擎，在各种不同的工具软件中可能使用不同的引擎，SPICE 或者VHDL等。对于用户来说，并不需要知道软件底层采用的仿真引擎的情况，但是仿真引擎的好与坏，决定了软件的仿真性能。用户在使用软件进行仿真时，只需要设置电路的分析类型和波形，这些设置方法在有关软件说明书中都有介绍，读者可以参考相关的软件说明书。

如图5-20所示为在Muitisim环境下设计的4位并行进位16进制输出显示计数器。仿真运行以后，示波器和逻辑分析仪分别显示了电路的波形。如图5-21为示波器显示的信号源和最后一级状态波形，5-22所示为逻辑分析仪显示各级状态波形。

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图5-20 Multisim环境下设计的计数器原理图

图5-21 Multisim环境下用虚拟示波器显示计数器波形

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图5-22 Multisim环境下用虚拟逻辑分析仪显示计数器各级波形

Maxplus2是专门用于数字可编程电路设计的工具软件，提供了数字电路设计的平台，图5-23是一个模12计数器电路，图5-24是对应的仿真波形。

图5-23 模12计数器电路图

图5-24 模12计数器仿真波形图

5.5 数字电路与模拟电路混合设计与仿真

数字模拟混合设计与仿真是EDA的一个难点，很多软件在这一点上有着很好的功能，但是价格很贵。出

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于软件的通用性和成本，这里选用几款常用的中低档软件。

所谓混合信号仿真是指在同一个环境下进行模拟电路和数字电路混合设计和仿真。

为了进行数字模拟混合信号仿真，EDA工具软件需要有混合信号仿真引擎。在Orcad的PSpiceA/D中，Pspice的数字扩展模块支持数字模拟混合信号仿真；新的版本Spice程序Spice3f5（也称为BSpice）和XSpice 结合可以进行数字模拟混合信号仿真，在Protel DXP和Multisim2001就是采用这种方法。

前面已经介绍了Verilog语言。在Verilog2001版本中增加了模拟扩展模块，也在一定程度上支持模拟电路设计。

数字模拟混合电路设计与仿真是基于以上所述的数字模拟程序模型库，实际上，这方面的工具和库还相当不成熟。

如图5-25是Protel DXP环境中设计的BCD到七段数码译码器转换和显示电路，图5-26是它的仿真波形图。图5-27是在Orcad环境中设计的一个数字和模拟混合电路，图5-28是该电路的仿真波形。

图5-25 Protel DXP环境数字和模拟混合电路

图5-26 Protel DXP环境下数字和模拟混合电路仿真波形

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图5-27 Orcad环境下的数字模拟混合电路

图5-28 Orcad环境下的数字模拟混合仿真波形

Protel中的数字器件是用类C语言描述的。类C语言在做数字器件的模型时，注意到了元件输入与输出之间的逻辑关系，但对数字器件的驱动特性和负载特性(即输入输出电阻)考虑不足。OrCAD对数字器件的仿真是用Spice实现的，它在对数字器件仿真时，会将被仿真的数字器件看成一个单元电路。所以，OrCAD既考虑了输入与输出电平的关系，又能使该器件的负载特性和驱动特性得到很好的体现。

Protel不能很好地反映数字器件的驱动特性和负载特性的不足是可以弥补的。方法是利用Protel自创元件的功能和分层次电路的功能。我们可以利用Protel中的Schematic Library Document来创建器件，通过网表实现该元件的驱动特性和负载特性。在导入网表以后，我们可以将其模型电路作为要仿真的一个底层电路来直接代替数字器件。通过这种办法，我们就将一个数模混合电路完全转化成了一个模拟电路。

思考题与习题：

1、回顾一下电路分析、数字电路、电子线路等路类课程中建立电路模型的方法，并说明这几门课程中电路模型的区别，这种区别说明了什么问题？在编写程序化模型时应该依据什么样的模型？

2、试说明SPICE程序的主要功能，在频率很高和温度特性比较复杂的情况下，利用SPICE进行电路仿真的基本依据是什么？

3、当前描述数字电路的硬件描述语言有哪些？试说明其功能和主要区别。

4、课程设计：设计一个中等规模的应用性电路并进行仿真分析，题目和仿真平台自选。

要求：

(1) 完成基于某个EDA软件的电路设计与仿真实验过程；

(2) 撰写设计研究报告，主要内容包括：原理图和原理简述；仿真条件设置方法；电路和仿真实验结果分析。

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需要注意的问题：

(1)设计项目的难度要反映对先修课程内容的掌握程度和创新意识；

(2)软件的使用要反映本课程的基本要求；

(3)实验研究论文要按照科技论文的基本格式，反映实验研究过程和方法。

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