作者： Albert Yen 混合模式與射頻技術(shù)經(jīng)理 臺聯(lián)電
Lawrence Williams 商業(yè)開發(fā)總監(jiān) Z.Y. Daniel Wu 模擬/混合信號IC專家 Ansoft公司
大規(guī)模射頻集成電路，如無線收發(fā)系統(tǒng)，往往包含了模擬和數(shù)字部分(如壓控振蕩器(VCO)、鎖相環(huán)(PLL)、混頻器、濾波器、放大器、數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換器(DAC/ADC)等)。這些器件的各種功能特性需要在時域和頻域內(nèi)進行仿真，以得到它們各自的行為特性。
此外，這些系統(tǒng)工作在GHz的頻率段，采用先進信號產(chǎn)生方法(如正交頻分復用(OFDM)和快速跳頻技術(shù)等)。高頻電路的開關(guān)速度很快，對有源與無源器件的模型、電路版圖的寄生效應、介質(zhì)耦合效應、級間阻抗匹配、IC封裝和電源噪聲等非常敏感。
仿真挑戰(zhàn)
諧波失真、增益壓縮、振蕩器相位噪聲及混頻器噪聲系數(shù)等非線性效應經(jīng)常在頻域進行仿真和報告。而開關(guān)行為、電路初始啟動狀態(tài)以及收發(fā)系統(tǒng)對瞬時事件(如跳頻)的響應需要在時域進行仿真。由于經(jīng)常需要包含基于頻域定義的寬帶寄生效應建模，而這種建模必須進行轉(zhuǎn)換以用于基于時間的仿真，因此導致時域分析復雜化。
很明顯，同時支持在時域和頻域內(nèi)進行一致的仿真，并能高效和精確地對基于頻率的模型實現(xiàn)暫態(tài)分析的技術(shù)，對于現(xiàn)在的RF電路仿真和驗證至關(guān)重要。
為了組成一個完整的收發(fā)器或接收器鏈，由許多無線電單元組合在一起產(chǎn)生的電路包含非常多的器件數(shù)量，這通常超過了傳統(tǒng)EDA工具的極限，從而產(chǎn)生了另外一個仿真挑戰(zhàn)。
這迫使設(shè)計師引入人為的、不準確的設(shè)計分割，從而犧牲了他們驗證的寬度。因此，迫切需要新的技術(shù)，它不僅要能在對敏感的模擬電路模塊仿真時具有良好的仿真精度和收斂性，同時，由于在系統(tǒng)級芯片(SoC)設(shè)計中，電路中經(jīng)常包含了大量的晶體管和寄生元件，新的技術(shù)還必須具備處理這種電路的能力和必要的仿真速度。
解決挑戰(zhàn)
為解決這些仿真挑戰(zhàn)，Ansoft公司開發(fā)了Nexxim。利用專用的數(shù)值算法和先進的軟件架構(gòu)，Nexxim成功地展示了解決大型電路問題的能力，能提供具有一致結(jié)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(xié)同仿真能力。
新的設(shè)計技術(shù)利用高可靠性的高頻結(jié)構(gòu)仿真器(HFSS)對部件和版圖電磁寄生效應進行抽取，結(jié)合了用于高性能電路仿真的Nexxim，為SoC設(shè)計者們一次流片成功提供了新的手段和機會。
復雜SoC的設(shè)計需要完善的EDA設(shè)計流程。Cadence Virtuoso模擬設(shè)計環(huán)境(ADE)在模擬/RF設(shè)計業(yè)界得到廣泛使用?，F(xiàn)在，可以將Nexxim仿真和HFSS模型抽取工具固有的優(yōu)勢整合到這個設(shè)計流程中。像ADC、AGC和PLL這樣的IC功能現(xiàn)在可以通過Cadence環(huán)境來創(chuàng)建，在單個芯片中集成，使用Nexxim按SPICE級別精度對這些功能模塊驗證。
此外，HFSS與Cadence的設(shè)計流程協(xié)同工作，以提供可擴展的片上無源模型、全波互連與介質(zhì)耦合寄生效應抽取以及復雜的封裝模型抽取。
本文描述在建立好的設(shè)計流程中設(shè)計與驗證射頻及模擬電路的新技術(shù)。本文以正在開發(fā)中的超寬帶(UWB" title="UWB">UWB)多波段正交頻分復用(MB-OFDM)無線系統(tǒng)項目為實例，演示新的技術(shù)。
下圖是一個流程圖，描述了典型的RFIC" title="RFIC">RFIC設(shè)計流程.
圖1：RFIC設(shè)計和驗證流程
設(shè)計流程解決方案
設(shè)計過程從系統(tǒng)設(shè)計與行為級建模測試平臺開發(fā)開始。常用的建模方法包括使用Matlab、高級語言(如C語言)或者硬件描述語言(HDL)(如Verilog-A或VHDL-AMS)，以及專門的系統(tǒng)仿真工具。
圖2描述了一個超寬帶IC參考設(shè)計的行為模塊框圖，這個IC參考設(shè)計是由Ansoft公司和領(lǐng)先的RFIC晶元廠臺聯(lián)電聯(lián)合開發(fā)的。這個系統(tǒng)包括基帶數(shù)字信號處理(DSP)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、無線發(fā)射器和接收器以及無線信道。然后開發(fā)出電路模塊規(guī)范來定義性能指標。
圖2：用于早期系統(tǒng)級折衷研究的UWB無線電全收發(fā)器行為模型
Ansoft公司的Designer工具用來對這種UMB無線電進行行為建模。它提供無線電模塊的非常全面的模型，如混頻器、濾波器、放大器、無線信道模型以及天線和DSP、混合信號模塊(如快速傅立葉變換FFT)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、符號映射器、隨機碼信號源和檢波器。
與Matlab模型的協(xié)同仿真和使用標準C編程的用戶定義模塊解決了特定的基帶信號處理，包括數(shù)據(jù)擾碼、卷積編碼、信號打孔、符號映射以及OFDM符號生成。
設(shè)計流程的下一步是使用理想化的互連結(jié)構(gòu)和代工設(shè)計工具包(foundry design kit)中的器件模型進行電路設(shè)計。Nexxim仿真器可以和Cadence的RFIC設(shè)計流程完全集成在一起。
圖3顯示了它已經(jīng)緊密地與Cadence ADE集成并直接包含在其菜單結(jié)構(gòu)內(nèi)。
圖3：Ansoft Nexxim電路仿真器被完全整合到Cadence的ADE中
Nexxim能夠在一個仿真器中實現(xiàn)瞬態(tài)和諧波平衡，這可以從下面的例子中明顯地看出。
圖4是UWB接收器模擬基帶的原理圖，包括基帶濾波器和用于自動增益控制(AGC)的可變增益放大器。
圖4：UWB接收器模擬基帶包括基帶濾波器和可變增益AGC放大器
圖5提供了這種電路的典型頻域結(jié)果，包括采用線性網(wǎng)絡分析的掃頻結(jié)果、使用Nexxim諧波平衡分析的諧波失真結(jié)果以及增益壓縮。
圖5：基帶電路頻域結(jié)果實例(a) 不同增益狀態(tài)的掃頻響應；
圖5： 基帶電路頻域結(jié)果實例(b) 諧波平衡仿真報告的諧波失真；
圖5： 基帶電路頻域結(jié)果實例(c) 諧波平衡計算的增益壓縮圖
圖7所示為同一電路典型的時域仿真結(jié)果，包括復雜OFDM輸入波形以及單個UWB幀的I/Q通道輸出響應。單個工藝設(shè)計包(臺聯(lián)電的0.13um工藝)以及相應的設(shè)計環(huán)境能夠使設(shè)計者根據(jù)自己的需要選擇想要的仿真算法。
圖6：基帶電路的時域結(jié)果實例(a) 使用PWL源的OFDM數(shù)字調(diào)制輸入波形；
圖6：基帶電路的時域結(jié)果實例(b) Nexxim預測的I與Q輸出
為了改進仿真的精確度，對片上無源元件(如螺旋電感和金屬-氧化物-金屬(MoM)電容)進行綜合、參數(shù)抽取并加入電路仿真中。臺聯(lián)電和Ansoft已經(jīng)實現(xiàn)了一種電磁設(shè)計方法(EMDM)，這種方法采用全波三維仿真工具來建立片上無源器件的模型，其精度可以追溯到晶元制造工藝。對于螺旋電感，電感值和品質(zhì)因素(Q)可利用先進的全波有限元仿真，通過Ansoft的HFSS來計算。
為方便電路設(shè)計工程師們使用全三維電磁場工具，Ansoft創(chuàng)建了一種針對臺聯(lián)電的器件向?qū)?Component Wizard)，用于建立與他們的代工設(shè)計工藝相匹配的參數(shù)化模型。圖8描述了Component Wizard以及臺聯(lián)電使用的工藝，可以創(chuàng)建易于解決的參數(shù)化HFSS項目。
圖7：組件向?qū)髯x取UMC工藝技術(shù)文檔和P-cell以創(chuàng)建易于解決的參數(shù)化HFSS項目
器件向?qū)褂肅adence版圖P-cell與層堆疊技術(shù)文件，來在HFSS中創(chuàng)建完全參數(shù)化的螺旋電感參數(shù)庫。這個庫可以作為經(jīng)過驗證的EMDM設(shè)計工具包提供給臺聯(lián)電客戶。還提供了一種將優(yōu)化設(shè)計反向標注回通用的版圖工具的方法。
圖8比較了HFSS仿真結(jié)果與兩個環(huán)形螺旋電感的測量結(jié)果，顯示了電感量和品質(zhì)因素優(yōu)秀的一致性。
圖8：環(huán)形螺旋電感的HFSS仿真與測量的電感值和Q的比較(a) 150um外部直徑；
圖8：環(huán)形螺旋電感的HFSS仿真與測量的電感值和Q的比較(b) 300um外部直徑
物理電路版圖設(shè)計
設(shè)計過程的下一步是電路版圖生成。對關(guān)鍵的模擬模塊需要特別加以注意，這些模擬電路模塊通常是通過手動布線來確保高度敏感的模擬電路滿足技術(shù)指標要求。在版圖設(shè)計完成后，應該利用電磁仿真來得到無源器件模型和互連之間的相互影響。
由于像HFSS這樣的仿真工具和運算平臺的性能不斷提高，因此現(xiàn)在可以在關(guān)鍵的無線電模塊的整個版圖上使用三維仿真。其優(yōu)勢是這種精確的方法能夠仿真所有的高頻版圖設(shè)計效應，包括片上電感、互連、片上無源器件以及到其它互連結(jié)構(gòu)的耦合和介質(zhì)耦合。并且對寄生現(xiàn)象和耦合效應不做任何假設(shè)和近似。對于整個模塊嚴格的電磁參數(shù)抽取能夠消除關(guān)于該包含哪個寄生效應的所有不確定因素。
圖9描述了整個VCO模塊版圖的HFSS仿真項目，不包括所有的有源組件和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端口HFSS項目，需要2.15GB的內(nèi)存。
圖9：在HFSS中仿真的關(guān)鍵VCO電路版圖幾何尺寸
圖10顯示了VCO負阻振蕩器S11幅度(藍色)和相位(紅色)，圖中表明當提取了整個模塊的寄生效應，并將其加入到電路仿真中以后，器件無法起振。如果不進行電磁場仿真，這樣的問題只有在出帶、制造和測試之后才能發(fā)現(xiàn)。這一級別的版圖提取和驗證對于確保一次性流片成功來說非常重要。
圖10：VCO負阻振蕩器S11幅度(藍色)和相位(紅色)位圖,S11必須位于綠色虛線之上，器件才能振蕩(a) 沒有進行整板仿真時，電路振蕩于4.4GHz；
圖10：VCO負阻振蕩器S11幅度(藍色)和相位(紅色)位圖,S11必須位于綠色虛線之上，器件才能振蕩(b) 整板仿真之后包含了寄生效應，器件無法起振
管理封裝寄生效應
在電路仿真中加入封裝寄生效應是設(shè)計過程中的另外一個關(guān)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(chǎn)生顯著的影響。
圖11中所示是一個QFN封裝的HFSS模型，通過仿真我們可以得到所有管腳的S參數(shù)矩陣并進一步計算得到所有引線電感。
圖11：QFN IC封裝模型(a) 在HFSS中建立的仿真模型；
圖11：QFN IC封裝模型(b) 有限元網(wǎng)格剖分
圖12所示為在有和沒有接地及電源引線電感兩種情況下，圖13中的電路的小信號性能。
圖13：UWB接收器原理圖包括T/R開關(guān)，可變增益LNA，不平衡變壓器，I/Q解調(diào)器和基帶濾波/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(guān)的接地及電源封裝引線電感；綠色曲線將T/R開關(guān)和LNA的接地及電源封裝引線電感全部包括在內(nèi)，電路開始不穩(wěn)定
從這個圖中可以看出，從LNA看進去的穩(wěn)定響應(S11<0dB)決定于是否包括地和電源引線電感模型。在相同的仿真中可以觀察到LNA小信號增益由于地電感降低大約15dB。這個信息可以引導對設(shè)計的及時調(diào)整，這種調(diào)整反過來可以使電路穩(wěn)定。
驗證平臺
最后，具有多個功能模塊的晶體管級電路以及包含所有提取的寄生效應的全芯片驗證使用一種系統(tǒng)(行為級)測試平臺來實現(xiàn)。圖15描述了全芯片驗證系統(tǒng)測試平臺。MBOA位和幀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(tǒng)測試平臺上對無線收發(fā)系統(tǒng)進行晶體管級全芯片驗證
Nexxim使用HFSS提取的寄生效應進行電路仿真，產(chǎn)生的全芯片分析的有代表性的結(jié)果包括接收器輸入信號頻譜圖(圖16a)和顯示了接收器上檢測到的QPSK符號的星座圖(圖16b)。
圖16：全芯片驗證仿真結(jié)果(a) 接收機輸入端頻譜；
圖16：全芯片驗證仿真結(jié)果(b) 接收機檢測到的QPSK符號星座圖
本文小結(jié)
工程師和EDA供應商了解成功的RFIC設(shè)計需要一個具有四個主要組件的開發(fā)基礎(chǔ)架構(gòu)，它們分別是：
1. 支持時域和頻域分析以及很大晶體管數(shù)量和在這樣的器件中發(fā)現(xiàn)的諧波部分的電路仿真技術(shù)；
2. 經(jīng)過驗證的基于電磁的建模過程，這個過程能提供準確的、可擴展的無源器件以及開/關(guān)芯片互連和封裝寄生參數(shù)描述；
3. 完善建立的設(shè)計流程，這個設(shè)計流程將這個電路仿真與EM技術(shù)銜接到經(jīng)代工廠驗證的器件模型、參數(shù)版圖單元以及物理實現(xiàn)能力(如DRC與LVS)；
4. 系統(tǒng)級開發(fā)工具用于開始的連接估算與最終的“測試平臺”設(shè)計驗證。Ansoft的技術(shù)領(lǐng)先的分析工具能直接進入到已建立的IC設(shè)計和驗證流程，以滿足這些嚴格的要求。