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EDA/IP  

用於大型RFIC設計的類比工具

上網時間: 2002年09月14日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:RFIC  Simulation  KCL  Newton-Raphson  Laplace 

隨著RFIC日趨複雜,對設計工具的要求也越來越高,除了要有更高的整合度外,還必須易於適應最新的類比軟體與概念。本文針對大型RFIC設計介紹目前先進的類比算法,可為中國工程師設計同類積體電路時提供一些參考思路。

設計工程師們希望將整個收發器整合到一個晶片上,但系統內不同部份之間尤其是RF端各種複雜的相互作用給這種需求提出了巨大的技術挑戰。為克服這些難題,RF設計人員不僅要具備通訊和信號理論方面的專業知識,還要在關鍵參數如噪音、功率、增益及線性度之間做出正確的選擇。因此設計人員必須配備功能強大的整合EDA軟體,這種軟體除了可以模擬RFIC各部份功能外,還要針對無線標準精確地模擬整個晶片性能以進行驗証,而且軟體必須能夠處理最先進帶有複雜RF調變信號的非線性電路技術,同時解決RF電路尺寸不斷增加帶來的新問題。圖1:預處理器的使用取決於設計中電晶體的數量和非線性程度。

無線通訊RFIC的性能參數必須在不同層次上進行模擬,包括系統級(臨近通道功率比或簡稱ACPR)、子系統級(無寄生動態範圍或簡稱SFDR)和元件級(相噪音),有時候還要在多個層次上進行(在功率放大器及整個RF發射器上都做ACPR)。對於這些要求,現在還沒有一個類比器能夠提供所有性能參數測量,另外類比/RF和系統基頻部份的系統級、子系統級和元件級模擬也不能孤立開來。目前對整個系統進行模擬的技術有很多,包括直流類比到諧波平衡類比等多種類型。

◆直流類比

計算電路的直流工作點是其它模擬如交流、瞬態和諧波平衡等的先決條件。進行直流模擬時,交流源被忽略掉,電容用開路代替,電感用短路代替,非線性元件用它們的Spice模型來代表,然後類比器在每個節點採用牛頓-拉夫森算法解基爾霍夫電流定律(KCL)方程。

◆交流與S參數位類比擬

交流和小信號S參數位類比擬首先建立直流工作點,然後假設交流源不影響直流工作點,將非線性元件在直流工作點上線性化,線性元件用小信號頻域Y或S參數表示,這樣分析時可使用準確的分佈式元件頻域模型。將每個元件都用直流模型表示後,在電路外部埠就可以計算出整個電路的Y或S矩陣。

◆瞬態時域模擬

瞬態模擬適用於大型基頻電路、瞬態啟動及振盪器,這時已經對電路進行了直流偏壓分析,非線性元件用Spice模型表示,線性元件用分塊等效電路表示,頻域分佈模型則用Y或S參數或者有理多項式代替。然後用有限差分法計算每個電路的節點電流,將微分方程系統轉換成代數矩陣方程系統,採用迴圈法用牛頓-拉夫森算法求解,使基爾霍夫電流定律在每個電流節點都成立。

瞬態時域模擬通常在元件級和晶片級上進行,RFIC最後驗証包括整個IC電晶體級瞬態模擬。與瞬態時域模擬相關的計算時間和記憶體限制需要用到一些其它類比技術,我們會在後面進一步討論。

◆卷積類比器

它是瞬態類比器的延伸,允許將頻域模型如微波傳輸帶和傳輸線放到時域模擬器中進行模擬,它還考慮了高頻影響如趨膚效應和散射效應等。

卷積步驟如下:在分佈模型上進行有限輸入響應(FIR)卷積模擬時,將其頻域S或Y參數轉換成脈衝響應,再用脈衝響應對輸入波形進行卷積。對於可用拉普拉斯或有理多項式準確描述的頻域模型則採用回歸卷積,這要比FIR卷積快,而且數值更穩定。

諧波平衡

不論是S參數技術還是瞬態時域技術都不適用於多頻激勵非線性電路的穩態求解,S參數技術是一種線性類比技術,瞬態技術又不能用於頻段挨得很近的多頻激勵。解決辦法是採用頻域非線性類比器,即諧波平衡(HB)類比器。

RFIC通常有頻率上升和下降轉換,HB是對帶有多個接近頻率的獨立信號系統進行分析的理想工具。因為HB是一種頻域技術,所以多個線性分佈模型可以同時準確建模。

HB另一個獨特的性能是非線性噪音分析。Spice線性噪音分析不能預知帶混頻效應的電路噪音性能,也確定不了對不同幅值輸入信號如增益壓縮的非線性響應,HB能準確模擬混頻器和振盪器的非線性噪音,包括大信號效應。

此外,HB在帶有互調失真(IMD)和頻率轉換的元件和系統分析中最為有用,如用在頻段很接近的混頻器IMD、功率放大器、上拉負載、倍頻器、振盪器穩態響應和系統模擬之中。

諧波平衡方法首先進行直流模擬,得到直流工作點,周期性激勵信號用傅利葉級數表示,每個獨立頻段的諧波數是有限的。開始時,對每個電流節點的電壓頻譜做一個估計,藉由反向FFT將電壓頻譜轉換成時域電壓波形,再用Spice模型和電壓波形計算出非線性元件的時域電流波形,然後在每個端點用FFT將時域電流轉換成電流頻譜,線性元件節點的電流頻譜則用每個節點的S或Y參數和電壓頻譜計算。這樣在每個節點處得到第一次迴圈後的電流頻譜結果,然後對每個節點最初估計的電壓頻譜進行調節以滿足基爾霍夫電流定律。將這種牛頓-拉夫森迴圈運算持續執行下去,直到兩次連續迴圈結果之間的差異低於預定閾值為止。

Krylov子空間法

對於採用牛頓-拉夫森算法的HB類比器,每次迴圈都要對非線性系統方程的雅各比矩陣求逆。當矩陣用直接方法進行分解時,對記憶體的要求上升為O(H2),這?的H是諧波數量。

就雅各比線性系統方程而言,另一種解法是用Krylov子空間迴圈法,如廣義極小殘差法(GMRES)。這種方法要求記憶體在諧波平衡中與O(H)成正比,而不是與O(H2)成正比,這樣採用Krylov方法解大型諧波平衡問題可節省記憶體空間,相應地提高了計算速度,速度提高後就可採用HB對整個晶片進行多音頻激勵模擬。

CCT包絡模擬

與傳統通訊設計運用正弦調變不同,現代無線通訊採用複雜數位RF調變,以便更有效地使用頻譜,其中包括π/4差分正交相移鍵控(DQPSK)和QAM,與寬頻CDMA(W-CDMA)、Edge和GSM標準中使用的一樣。這些調變方案帶來了新的RF規範,如ACPR、誤差向量幅度(EVM)和NPR。另外,鎖相環(PLL)和自動增益控制(AGC)等部件也要分別滿足為頻率和功率水平設定的嚴格時序規範。

電路包絡(CE)是專為瞬態和複雜調變RF信號而開發的類比技術,與Spice不同,它對信號的基頻調變包絡取樣,而不是對RF載波取樣。對每個包絡時間取樣時,同時在頻域計算RF載波,輸出是一個隨時間變化的頻譜。

CE在有調變和瞬態高頻信號時能有效地對放大器、混頻器、振盪器和反饋回路進行分析,可快速準確地分析現代通訊電路和子系統中出現的複雜信號。這種類比技術將時域和頻域技術的優點結合在一起,克服了諧波平衡和Spice模擬在類似場合下的局限。

端對端模擬

從結構層面上看,設計人員對整個系統的性能更感興趣,包括每一比特的進出。對測量的興趣則集中在位錯率(BER)、EVM等,這些參數與系統基頻部份性能緊密相關。

DSP設計與類比/RF電路設計合在一起的模擬,對無線數據機中整合的元件、元件和子系統的應用非常關鍵。實際的類比/RF問題與DSP算法之間相互影響的驗証過程也很重要,利用它可在性能和電路複雜性之間做出權衡。

現代設計使用混合類比/RF和專用片上基頻模組,兩者之間的結合要求有很高整合度,同時需要對基頻和RF電路進行協同模擬。支援類比引擎、信號與模型、基頻、RF和類比技術的混合設計環境可對自頂向下系統規範和自底向上的測試及驗証提供很大幫助。定時非同步數據流信號處理類比器在基頻類比和RF電路類比器之間起到橋梁的作用,可實現端對端通訊系統規範的模擬。

近來很多技術進步使模擬的效率和能力大為提高,時域和頻域類比器現在可以解決大型非線性RF電路。為求解節點KCL方程式,通常要建立一組方程式和相關雅各比矩陣。對於有很多節點和諧波的電路,這個矩陣會變得很大而且很複雜,這時Krylov子空間法就能起很大的作用;但如果電路的非線性度很高,矩陣中又有很多複雜的空閑對角項,此時即使是Krylov子空間法也難以解決。這時需要一種實用的預處理器對矩陣進行簡化及近似計算,使Krylov子空間法能得到最後的結果。圖2:RFIC尺寸增大後採用SCP和BSP預處理器的效果

除了標準的Krylov直流預處理器(DCP)外,現在又開發出兩種新的預處理器,分別是模組選擇預處理器(BSP)和Schur補充預處理器(SCP)。DCP對大多數電路都沒問題,但對非線性度高的電路無效;BSP在DCP的基礎上增加了很多非線性模組,確保非線性度高電路的收斂。BSP運用模組選擇,將雅各比矩陣分成一組線性和一組非線性模組,其中非線性模組對應電路中非線性最嚴重的部份。採用BSP可以節省額外的記憶體成本。

SCP用於那些極端非線性電路(見圖1)。DCP在整個電路中都採用直流近似,而SCP只用到部份近似值,將極端非線性部份排除在外。應用SCP時需要一系列複雜的步驟,包括每次外部Krylov回路迴圈時使用內部Krylov法。因此SCP通常會佔用更多記憶體,而SCP附加專用Krylov法可減少記憶體使用,並提高速度和效率。

對兩種新的預處理器進行比較我們可以看到,BSP技術要比SCP簡單,有時比SCP要快。但在電路中有很多非線性部份時(由非線性列選擇確定),BSP會耗用很多記憶體,使系統效率降低,這時SCP就大有作為了。

諧波平衡問題的數量多少取決於方程式的數量(與元件和節點的數量有關)及頻率諧波的數量,對於只有一種音頻的電路,問題數等於每種頻率方程式的總數再乘以[(2×諧波數)-1]。

為了証明新的預處理器是合適的,我們在一個有133個元件(包括48個非線性元件)的雙極型分頻器上進行測試。將頻率(諧波)數從8個增加到512個,以增加HB Krylov要解決問題的數量。默認的DCP不能解決矩陣問題,採用BSP和SCP後的結果如圖2所示。可以看到問題較少時BSP模擬速度快,佔用的記憶體也少;問題增多後,SCP的速度超過了BSP,而佔用的記憶體更少。

瞬態協助諧波平衡(TaHB)是另外一種成功應用的技術,它可為很多非線性度高的電路提供收斂和解決方法,如PLL IC中的觸發及振鈴電路。瞬態類比器執行直到達到穩態為止,然後在Krylov HB及其預處理器內將它作為最初的估算值。

沒有一種類比技術可以滿足RFIC模擬的所有要求,上面所介紹的類比技術應緊密結合起來使用,使設計人員利用不同層次的提取模型完成自頂向下多層協同模擬。

作者:Jack Sifri


產品經理Email: jack_sifri@agilent.com

Niranjan Kanaglekar


RF混合信號開發經理


Email: niranjan_kanaglekar@agilent.com


安捷倫科技





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