摘 要： 研究了Perl在ESD保護(hù)電路中的應(yīng)用。基于Perl語言的強(qiáng)大功能，在海量的數(shù)字電路仿真數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確地抓取需要的數(shù)據(jù)，并生成文件報(bào)表。同時(shí)為數(shù)字仿真電路的驗(yàn)證提供了一種全新、快速、準(zhǔn)確的方式。
關(guān)鍵詞： Perl； ESD電路； 電路驗(yàn)證
在一款電子產(chǎn)品投入生產(chǎn)前，數(shù)字后端設(shè)計(jì)工程師會對數(shù)字仿真電路進(jìn)行驗(yàn)證，對整個(gè)版圖的線寬、間距、短路等情況進(jìn)行檢查，從而確保生產(chǎn)的產(chǎn)品都能夠正常工作。這些仿真電路驗(yàn)證工作經(jīng)常需要面對海量的電路數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，識別出設(shè)計(jì)參數(shù)不合格的電路并進(jìn)行改善[1]。
數(shù)字仿真電路的設(shè)計(jì)離不開仿真驗(yàn)證，仿真驗(yàn)證過程是一個(gè)不斷重復(fù)的過程，它貫穿了整個(gè)仿真電路的設(shè)計(jì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，設(shè)計(jì)驗(yàn)證會占用設(shè)計(jì)人員 70%以上的精力，而且對于大型的電路，驗(yàn)證會更為繁瑣，例如門級規(guī)模上億的電路。
1 數(shù)字仿真電路驗(yàn)證方法分析
作為可編程邏輯器件,FPGA(Field Programmable Gate Array)相比于ASIC(Application Specific Integrated Circuit)可以重復(fù)擦寫程序，通常用它來對現(xiàn)有的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。在數(shù)字 ASIC 的設(shè)計(jì)中，由于測試向量的不完備，設(shè)計(jì)中很有可能存在相應(yīng)的Bug。因?yàn)槊看?ASIC 的投片會花費(fèi)較大代價(jià)，為規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，通常會對設(shè)計(jì)進(jìn)行 FPGA驗(yàn)證，F(xiàn)PGA 驗(yàn)證無誤后才進(jìn)行投片、量產(chǎn)[2]。
目前FPGA數(shù)字后端驗(yàn)證的方法主要是基于人工的選擇,通過Linux下的條件查找功能，逐個(gè)實(shí)現(xiàn)對電路參數(shù)的驗(yàn)證功能。要驗(yàn)證的電路數(shù)目和需要驗(yàn)證的電路參數(shù)個(gè)數(shù)都是海量的，而且需要驗(yàn)證的參數(shù)類型也是隨時(shí)變化的，因此這種人工驗(yàn)證的方法，不僅效率低下，而且驗(yàn)證準(zhǔn)確度難以確保。
本文將介紹一種新的利用Perl(Practical Extraction and Reporting Language)進(jìn)行數(shù)字仿真電路驗(yàn)證的方式。
2 Perl介紹及其在ESD保護(hù)電路中的應(yīng)用
2.1 Perl簡介
Perl是解釋型的腳本語言，它具有出色的處理文本能力，是Windows和Linux跨平臺的編程語言,具備自主內(nèi)存管理功能，沒有內(nèi)存泄漏問題，且具有強(qiáng)大便捷的模塊化功能[3]。
Perl的解釋程序是開放源碼的免費(fèi)軟件，使用Perl不必?fù)?dān)心費(fèi)用；Perl能在絕大多數(shù)操作系統(tǒng)下運(yùn)行，可以方便地向不同操作系統(tǒng)遷移；它可以作為用在不同系統(tǒng)環(huán)境編程的高級語言,為電路驗(yàn)證提供了一種新的解決方式；其高效、準(zhǔn)確的特點(diǎn)給設(shè)計(jì)人員帶來了很大的便利[4]。
2.2 ESD保護(hù)電路
靜電放電ESD(Electrostatic Discharge)會給電子器件環(huán)境帶來破壞性的后果,是造成集成電路失效的主要原因之一。
在正常工作情況下，NMOS橫向晶體管不會導(dǎo)通。當(dāng)ESD發(fā)生時(shí)，漏極和襯底的耗盡區(qū)將發(fā)生雪崩，并伴隨之產(chǎn)生電子空穴對。一部分產(chǎn)生的空穴被源極吸收，其余的流過襯底。由于襯底電阻Rsub的存在，使襯底電壓提高。當(dāng)襯底與源之間的PN結(jié)正偏時(shí)，電子就從源發(fā)射進(jìn)入襯底。這些電子在源漏之間電場的作用下被加速，產(chǎn)生電子、空穴的碰撞電離，從而形成更多的電子空穴對，使流過n-p-n晶體管的電流不斷增加，最終使NMOS晶體管發(fā)生二次擊穿，此時(shí)的擊穿不再可逆，則NMOS管損壞[5]。
為了進(jìn)一步降低輸出驅(qū)動上NMOS在ESD時(shí)兩端的電壓，可在ESD 保護(hù)器件與GGNMOS之間加一個(gè)電阻。這個(gè)電阻不能影響工作信號，因此不能太大。畫版圖時(shí)通常采用多晶硅(poly)電阻R1和R2。如圖1所示。
2.3 Perl在ESD保護(hù)電路驗(yàn)證中的應(yīng)用
Perl在ESD保護(hù)電路驗(yàn)證中可以實(shí)現(xiàn)抓取所需要的數(shù)據(jù)信息并生成文件報(bào)表。圖2所示為一款芯片的ESD保護(hù)電路報(bào)表中的一個(gè)小模塊仿真電路，其整個(gè)報(bào)告有上千個(gè)格式相同而R1、R2數(shù)字不同的電路小模塊。由圖1所示的電路說明，要實(shí)現(xiàn)對芯片的ESD保護(hù)，需要限定：R1或者R2不能大于某一個(gè)限定值Rm。因此需要在這個(gè)文件報(bào)表中實(shí)現(xiàn)不滿足此條件(即：R1或R2電阻值有一個(gè)大于3.5 Ω)的所有電路Location、Power和Ground的信息抓取。如果不用腳本程序，只能對電路模塊的R1和R2數(shù)值信息一個(gè)一個(gè)分析比較，這樣不僅準(zhǔn)確率低，容易出錯，而且耗費(fèi)大量后端工程師的精力。但是現(xiàn)在可以通過一個(gè)Perl程序?qū)崿F(xiàn)對此類文件報(bào)告進(jìn)行條件抓取。這種方式不僅運(yùn)行速度快，不會出錯，而且大大減少了后端驗(yàn)證工程師的數(shù)據(jù)分析工作量。
運(yùn)行這個(gè)Perl腳本后，只需要輸入電源電阻所需要滿足的條件，不同系列的芯片對R1和R2要求不一樣。譬如，對于某一系列芯片需要查找出R1或者R2大于3.5 ?贅的所有電路location、power、ground信息(注：對于此系列芯片R1或者R2大于3.5 ?贅時(shí)的ESD保護(hù)電路都是不能通過檢查的，需要重新設(shè)計(jì)參數(shù))。Perl可以在Windows、Unix等多種平臺下運(yùn)行，以在Windows系統(tǒng)下運(yùn)行為例[7]，如圖3所示。
最后的運(yùn)行Perl腳本輸出為一個(gè)result文件名的文件報(bào)表，結(jié)果如圖4所示。
數(shù)字仿真電路驗(yàn)證是其數(shù)字后端設(shè)計(jì)中極其重要的一部分，是保證每款芯片品質(zhì)的重要部分。Perl語言可以很好地實(shí)現(xiàn)所有不滿足ESD保護(hù)電路設(shè)計(jì)的電路參數(shù)抓取，方便數(shù)字仿真電路設(shè)計(jì)后端查錯。由此表明可以根據(jù)不同電路的實(shí)際仿真報(bào)告，用Perl編程實(shí)現(xiàn)不同數(shù)字仿真電路驗(yàn)證的后端查錯，大大減少了驗(yàn)證者的工作量。可以預(yù)見，以后的硬件電路設(shè)計(jì)中會越來越多地見到Perl的身影[8]。
參考文獻(xiàn)
[1] 余曉文，強(qiáng)英.Perl語言在電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用，2004, 23(1):24-25.
[2] 許川佩，唐海，胡聰.基于FPGA的NoC硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38(2):117-119.
[3] (美)施瓦茨. Perl語言入門(第6版)[M].盛春，譯.南京：東南大學(xué)出版社，2012.
[4] (美)艾德爾曼.使用Perl實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理自動化(第2版)[M].盛春，譯.南京：東南大學(xué)出版社，2011.
[5] 孫可平,劉勇.我國電子行業(yè)ESD防治技術(shù)現(xiàn)狀及對策[J].上海海運(yùn)學(xué)院學(xué)報(bào),1999(1):76-81.
[6] DEITEL H M. Perl編程金典[M]. 李晉宏，楊小平，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2002.
[7] 華勝華，劉偉平. PERL在IC設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].中國集成電路，2004(5):36-41.
[8] WALL L, CHRISTIANSEN T, ORWANT J. Programming Perl[M]. Third Edition, O′Reilly Media, 2000.