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先進模擬方法簡化UWB RFIC設計流程

上網時間: 2006年08月03日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:模擬 UWB  RFIC  HFSS  Nexxim 

大規模射頻積體電路如無線收發系統,往往包含了類比和數位部份,如壓控振盪器(VCO)、鎖相環(PLL)、混頻器、濾波器、放大器、數位類比/類比數位轉換器(DAC/ADC)等。這些元件的各種功能特性需要在時域和頻域內進行模擬,以得到它們各自的行為特性。

此外,這些系統工作在GHz頻段,並採用先進訊號產生方法,如正交頻分多工(OFDM)和快速跳頻技術等。高頻電路的開關速度很快,對主動與被動元件的模型、電路佈局的寄生效應、介質耦合效應、級間阻抗匹配、IC封裝和電源噪音等非常敏感。

模擬挑戰

諧波失真、增益壓縮、振盪器相位噪音及混頻器噪音係數等非線性效應經常在頻域進行模擬和報告。而開關行為、電路初始啟動狀態以及收發系統對瞬時事件(如跳頻)的響應則必須在時域進行模擬。由於經常需要包含基於頻域定義的寬頻寄生效應建模,而這種建模必須進行轉換以用於基於時間的模擬,因此導致時域分析複雜化。

很明顯,同時支援在時域和頻域內進行一致的模擬,並能高效和精確地對基於頻率的模型實現暫態分析的技術,對於現在的RF電路模擬和驗證至關重要。

為組成一個完整的收發器或接收器鏈,由許多無線電單元組合在一起產生的電路包含非常多的元件,這通常超過了傳統EDA工具的極限,從而產生了另外一個模擬挑戰。

這迫使設計師引入人為的、不準確的設計分割,從而犧牲了他們驗證的寬度。因此,設計師迫切需要新的技術,它不僅要能在對敏感的類比電路模組模擬時具有良好的模擬精度和收斂性,同時,由於在系統單晶片(SoC)的電路中經常包含了大量電晶體和寄生元件,因此新技術還必須具備處理這種電路的能力和必要的模擬速度。

解決挑戰

為解決這些模擬挑戰,Ansoft公司開發了Nexxim。利用專用的數值演算法和先進的軟體架構,Nexxim提供了具有一致結果的時間和頻率分析,以及與Ansoft公司的寄生行為3D電磁建模的協同模擬能力。新設計技術主要利用了高頻結構模擬器(HFSS)對部件和佈局電磁寄生效應進行萃取,這將為SoC設計人員提高一次投片成功的機會。

複雜SoC的設計需要完善的EDA設計流程。Cadence Virtuoso類比設計環境(ADE)在類比/RF設計業界得到廣泛使用。現在,可以將Nexxim模擬和HFSS模型萃取工具固有的優勢整合到這個設計流程中。像ADC、AGC和PLL這類IC功能現在可透過Cadence環境來建構,在單個晶片中整合,並使用Nexxim按SPICE級別精度對這些功能模組驗證。

此外,HFSS與Cadence的設計流程協同工作,以提供可擴展的晶片上被動模型、全波互連與介質耦合寄生效應萃取以及複雜的封裝模型萃取。

本文描述在建立好的設計流程中設計與驗證射頻及類比電路的新技術,並以正在開發中的超寬頻(UWB)多波段正交頻分多工(MB-OFDM)無線系統計劃為實例展示這項全新技術。

圖1描述了標準的RFIC設計流程,圖2則為功能圖,展示了聯電(UMC)公司設計流程中使用的工具。


圖1:RFIC設計和驗證流程


圖2:在UMC設計解決方案中的設計和驗證工具

設計流程解決方案

設計過程從系統設計與行為級建模測試平台開發開始。常用的建模方法包括使用Matlab、高級語言(如C語言)或者硬體描述語言(HDL)(如Verilog-A或VHDL-AMS),以及專門的系統模擬工具。

圖3描述了一個超寬頻IC參考設計的行為模組結構圖,這個IC參考設計是由Ansoft公司和聯電合作開發的。


圖3:用於早期系統級折衷研究的UWB無線電全收發器行為模型。電路包含所有基頻DSP和訊號調節電路、無線電路和多徑衰落無線通道模型。

這個系統包括基頻數位訊號處理(DSP)、數據轉換器、無線發射器和接收器以及無線通道。然後開發出電路模組規範來定義性能指標。

Ansoft公司的Designer工具用來對這種UMB無線電進行行為建模。它提供全面的無線電模組模型,如混頻器、濾波器、放大器、無線通道模型以及天線和DSP、混合訊號模組(如快速傅立葉變換FFT)、數據轉換器、符號映射器、隨機碼訊號源和檢波器。

與Matlab模型的協同模擬和使用標準C編程的用戶定義模組解決了特定的基頻訊號處理問題,包括數據擾碼、卷積編碼、訊號打孔、符號映射以及OFDM符號產生。

設計流程的下一步是使用理想化的互連結構和代工設計工具套件(foundry design kit)中的元件模型進行電路設計。Nexxim模擬器可以和Cadence的RFIC設計流程完全整合在一起。

圖4顯示了它已經緊密地與Cadence ADE整合併直接包含在其選單結構內。


圖4:Ansoft Nexxim電路模擬器被完全整合到Cadence的ADE中。

Nexxim能夠在一個模擬器中實現瞬態和諧波平衡,這可以從下面的例子中明顯地看出。

圖5是UWB接收器類比基頻的原理圖,包括基頻濾波器和用於自動增益控制(AGC)的可變增益放大器。


圖5:UWB接收器類比基頻包括基頻濾波器和可變增益AGC放大器。

圖6a、圖6b和圖6c提供了這種電路的典型頻域結果,包括採用線性網路分析的掃頻結果、使用Nexxim諧波平衡分析的諧波失真結果以及增益壓縮。


圖6: 基頻電路頻域結果實例(a) 不同增益狀態的掃頻響應;


圖6: 基頻電路頻域結果實例(b) 諧波平衡模擬報告的諧波失真;


圖6: 基頻電路頻域結果實例(c) 諧波平衡計算的增益壓縮圖。

圖7a和7b為同一電路典型的時域模擬結果,包括複雜OFDM輸入波形以及單個UWB訊框的I/Q通道輸出響應。單個製程設計套件(聯電的0.13um製程)以及相應的設計環境能夠使設計者根據自己的需要選擇想要的模擬演算法。


圖7:基頻電路的時域結果實例 (a) 使用PWL源的OFDM數位調變輸入波形;


圖7:基頻電路的時域結果實例 (b) Nexxim預測的I與Q輸出。

為改進模擬的精確度,可對晶片上被動元件,如螺旋電感和金屬-氧化物-金屬(MoM)電容進行綜合、參數萃取並加入電路模擬中。聯電和Ansoft已經實現了一種電磁設計方法(EMDM),這種方法採用全波三維模擬工具來建立晶片上被動元件的模型,其精度可以追溯到晶圓製造製程。而螺旋電感,電感值和品質因素(Q)則可利用先進的全波有限元模擬,並透過Ansoft的HFSS來計算。


圖8:元件精靈讀取UMC製程技術文檔和P-cell以建構易於解決的參數化HFSS計劃。

為方便電路設計工程師們使用全三維電磁場工具,Ansoft建構了一種針對聯電的元件精靈(Component Wizard),用於建立與其代工設計製程相匹配的參數化模型。圖8描述了Component Wizard以及聯電使用的製程,可建構易於解決的參數化HFSS計劃。元件精靈使用Cadence佈局P-cell與層堆疊技術文件,來在HFSS中建構完全參數化的螺旋電感參數庫。這個庫可以作為經過驗證的EMDM設計工具套件提供給聯電客戶。還提供了一種將優化設計反向標註回通用的佈局工具的方法。

圖9a和圖9b比較了HFSS模擬結果與兩個環形螺旋電感的測量結果,顯示了電感量和品質因素優秀的一致性。


圖9:環形螺旋電感的HFSS模擬與測量的電感值和Q的比較(a) 150um外部直徑


圖9:環形螺旋電感的HFSS模擬與測量的電感值和Q的比較(b) 300um外部直徑

實體電路佈局設計

設計過程的下一步是實體電路佈局。對關鍵的類比模組需要特別加以注意,這些類比電路模組通常是透過手動佈線來確保高度敏感的類比電路以滿足技術指標要求。在佈局設計完成後,應該利用電磁模擬來得到被動元件模型和互連之間的相互影響。

由於像HFSS這樣的模擬工具和運算平台的性能不斷提高,因此現在可以在關鍵的無線電模組整個佈局上使用三維模擬。其優勢是這種精確的方法能夠模擬所有的高頻佈局設計效應,包括晶片上電感、互連、晶片上被動元件以及到其他互連結構的耦合和介質耦合。並且對寄生現象和耦合效應不做任何假設。對於整個模組嚴格的電磁參數萃取能夠消除關於該包含哪個寄生效應的所有不確定因素。

圖10描述了整個壓控振盪器(VCO)模組佈局的HFSS模擬計劃,不包括所有的主動組件和MoM電容。在雙處理器PC上僅僅用9個多小時的時間就解決了這個142埠HFSS計劃,所需記憶體為2.15GB。


圖10:在HFSS中模擬的關鍵VCO電路佈局幾何尺寸

圖11顯示了VCO負阻振盪器S11幅度(藍色)和相位(紅色),圖中顯示當擷取了整個模組的寄生效應,並將其加入到電路模擬中以後,元件無法起振。如果不進行電磁場模擬,這樣的問題只有在設計輸出、製造和測試之後才能發現。這一級別的佈局擷取和驗證對於確保一次性投片成功來說非常重要。


圖11:VCO負阻振盪器S11幅度(藍色)和相位(紅色)圖。S11必須位於綠色虛線之上,元件才能振盪(a) 沒有進行整板模擬時,電路振盪於4.4GHz


圖11:VCO負阻振盪器S11幅度(藍色)和相位(紅色)圖。S11必須位於綠色虛線之上,元件才能振盪(b) 整板模擬之後包含了寄生效應,元件無法起振。

管理封裝寄生效應

在電路模擬中加入封裝寄生效應是設計過程中的另外一個關鍵步驟,在射頻段,即使是很小的引線電感也會對電路性能產生顯著的影響。

圖12是一個QFN封裝的HFSS模型,透過模擬我們可以得到所有接腳的S參數矩陣並進一步計算得到所有引線電感。圖14為在有和沒有接地及電源引線電感兩種情況下,圖13所示電路的小訊號性能。從這個圖中可以看出,從LNA看進去的穩定響應(S11<0dB)決定於是否包括地和電源引線電感模型。在相同的模擬中可以觀察到LNA小訊號增益由於地電感降低大約15dB。這個資訊可以引導對設計的即時調整,這種調整反過來可以使電路穩定。


圖12:QFN IC封裝模型(a) 在HFSS中建立的模擬模型


圖12:QFN IC封裝模型(b) 有限元素網格分割


圖13:UWB接收器原理圖包括T/R開關,可變增益LNA,不平衡變壓器,I/Q解調器和基頻濾波/AGC。


圖14:在考慮和不考慮接地及電源引線電感兩種情況下,圖13中的電路從LNA看進去的輸入回波損耗。藍色曲線是不考慮接地及電源引線電感時的參考曲線;紅色曲線包括了T/R開關的接地及電源封裝引線電感;綠色曲線將T/R開關和LNA的接地及電源封裝引線電感全部包括在內,電路開始不穩定。

驗證平台

最後,具有多個功能模組的電晶體級電路以及包含所有擷取寄生效應的全晶片驗證可使用一種系統(行為級)測試平台來實現。圖15描述了全晶片驗證系統測試平台。MBOA位元和訊框的精確時域波形被自動地連接到接收機電路的輸入。


圖15:在系統測試平台上對無線收發系統進行電晶體級全晶片驗證

Nexxim使用HFSS擷取的寄生效應進行電路模擬,產生的全晶片分析結果包括接收器輸入訊號頻譜圖,如圖16a所示,而圖16b則顯示了接收器上檢測到的QPSK符號的星座圖。


圖16:全晶片驗證模擬結果(a) 接收機輸入端頻譜


圖16:全晶片驗證模擬結果(b) 接收機檢測到的QPSK符號星座圖

本文小結

工程師和EDA供應商瞭解成功的RFIC設計需要一個具有四種主要組件的開發基礎架構,分別是:

1. 支援時域和頻域分析以及很大電晶體數量和在這樣的元件中發現的諧波部份的電路模擬技術;

2. 經過驗證的基於電磁的建模過程,這個過程能提供準確的、可擴展的被動元件以及開/關晶片互連和封裝寄生參數描述;

3. 完善建立的設計流程,這個設計流程將這個電路模擬與EM技術銜接到經代工廠驗證的元件模型、參數佈局單元以及實體實現能力(如DRC與LVS);

4. 系統級開發工具用於開始的連接估算與最終的‘測試平台’設計驗證。Ansoft的技術領先的分析工具能直接進入到已建立的IC設計和驗證流程,以滿足這些嚴格的要求。

作者:Albert Yen

混合模式與射頻技術經理

聯華電子

Lawrence Williams

業務開發總監

Z.Y. Daniel Wu

類比/混合訊號IC專家

Ansoft公司




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