先进的仿真方法简化UWB RFIC设计流程

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作者： Albert Yen   混合模式与射频技术经理 台联电
                      Lawrence Williams 商业开发总监 Z.Y. Daniel Wu 模拟/混合信号IC专家 Ansoft公司

        大规模射频集成电路，如无线收发系统，往往包含了模拟和数字部分(如压控振荡器(VCO)、锁相环(PLL)、混频器、滤波器、放大器、数模/模数转换器(DAC/ADC)等)。这些器件的各种功能特性需要在时域和频域内进行仿真，以得到它们各自的行为特性。

        此外，这些系统工作在GHz的频率段，采用先进信号产生方法(如正交频分复用(OFDM)和快速跳频技术等)。高频电路的开关速度很快，对有源与无源器件的模型、电路版图的寄生效应、介质耦合效应、级间阻抗匹配、IC封装和电源噪声等非常敏感。
仿真挑战

        谐波失真、增益压缩、振荡器相位噪声及混频器噪声系数等非线性效应经常在频域进行仿真和报告。而开关行为、电路初始启动状态以及收发系统对瞬时事件(如跳频)的响应需要在时域进行仿真。由于经常需要包含基于频域定义的宽带寄生效应建模，而这种建模必须进行转换以用于基于时间的仿真，因此导致时域分析复杂化。

        很明显，同时支持在时域和频域内进行一致的仿真，并能高效和精确地对基于频率的模型实现暂态分析的技术，对于现在的RF电路仿真和验证至关重要。

        为了组成一个完整的收发器或接收器链，由许多无线电单元组合在一起产生的电路包含非常多的器件数量，这通常超过了传统EDA工具的极限，从而产生了另外一个仿真挑战。

        这迫使设计师引入人为的、不准确的设计分割，从而牺牲了他们验证的宽度。因此，迫切需要新的技术，它不仅要能在对敏感的模拟电路模块仿真时具有良好的仿真精度和收敛性，同时，由于在系统级芯片(SoC)设计中，电路中经常包含了大量的晶体管和寄生元件，新的技术还必须具备处理这种电路的能力和必要的仿真速度。

解决挑战

        为解决这些仿真挑战，Ansoft公司开发了Nexxim。利用专用的数值算法和先进的软件架构，Nexxim成功地展示了解决大型电路问题的能力，能提供具有一致结果的时间和频率分析，以及与Ansoft公司的寄生行为3D电磁建模的协同仿真能力。

        新的设计技术利用高可靠性的高频结构仿真器(HFSS)对部件和版图电磁寄生效应进行抽取，结合了用于高性能电路仿真的Nexxim，为SoC设计者们一次流片成功提供了新的手段和机会。

        复杂SoC的设计需要完善的EDA设计流程。Cadence Virtuoso模拟设计环境(ADE)在模拟/RF设计业界得到广泛使用。现在，可以将Nexxim仿真和HFSS模型抽取工具固有的优势整合到这个设计流程中。像ADC、AGC和PLL这样的IC功能现在可以通过Cadence环境来创建，在单个芯片中集成，使用Nexxim按SPICE级别精度对这些功能模块验证。

        此外，HFSS与Cadence的设计流程协同工作，以提供可扩展的片上无源模型、全波互连与介质耦合寄生效应抽取以及复杂的封装模型抽取。

        本文描述在建立好的设计流程中设计与验证射频及模拟电路的新技术。本文以正在开发中的超宽带(UWB)多波段正交频分复用(MB-OFDM)无线系统项目为实例，演示新的技术。

        下图是一个流程图，描述了典型的RFIC设计流程.

                                      
                                                   图1：RFIC设计和验证流程

设计流程解决方案

        设计过程从系统设计与行为级建模测试平台开发开始。常用的建模方法包括使用Matlab、高级语言(如C语言)或者硬件描述语言(HDL)(如Verilog-A或VHDL-AMS)，以及专门的系统仿真工具。

        图2描述了一个超宽带IC参考设计的行为模块框图，这个IC参考设计是由Ansoft公司和领先的RFIC晶元厂台联电联合开发的。这个系统包括基带数字信号处理(DSP)、数据转换器、无线发射器和接收器以及无线信道。然后开发出电路模块规范来定义性能指标。

                                
                                                 图2：用于早期系统级折衷研究的UWB无线电全收发器行为模型
        Ansoft公司的Designer工具用来对这种UMB无线电进行行为建模。它提供无线电模块的非常全面的模型，如混频器、滤波器、放大器、无线信道模型以及天线和DSP、混合信号模块(如快速傅立叶变换FFT)、数据转换器、符号映射器、随机码信号源和检波器。

        与Matlab模型的协同仿真和使用标准C编程的用户定义模块解决了特定的基带信号处理，包括数据扰码、卷积编码、信号打孔、符号映射以及OFDM符号生成。

        设计流程的下一步是使用理想化的互连结构和代工设计工具包(foundry design kit)中的器件模型进行电路设计。Nexxim仿真器可以和Cadence的RFIC设计流程完全集成在一起。

        图3显示了它已经紧密地与Cadence ADE集成并直接包含在其菜单结构内。


                  
                                        图3：Ansoft Nexxim电路仿真器被完全整合到Cadence的ADE中
        Nexxim能够在一个仿真器中实现瞬态和谐波平衡，这可以从下面的例子中明显地看出。

        图4是UWB接收器模拟基带的原理图，包括基带滤波器和用于自动增益控制(AGC)的可变增益放大器。

               

                                         图4：UWB接收器模拟基带包括基带滤波器和可变增益AGC放大器
        图5提供了这种电路的典型频域结果，包括采用线性网络分析的扫频结果、使用Nexxim谐波平衡分析的谐波失真结果以及增益压缩。
                           


              图5： 基带电路频域结果实例(a) 不同增益状态的扫频响应；
              

              图5： 基带电路频域结果实例(b) 谐波平衡仿真报告的谐波失真；

            
                           图5： 基带电路频域结果实例(c) 谐波平衡计算的增益压缩图
         图7所示为同一电路典型的时域仿真结果，包括复杂OFDM输入波形以及单个UWB帧的I/Q通道输出响应。单个工艺设计包(台联电的0.13um工艺)以及相应的设计环境能够使设计者根据自己的需要选择想要的仿真算法。

                  

                         图6：基带电路的时域结果实例(a) 使用PWL源的OFDM数字调制输入波形；
                  

                                              图6：基带电路的时域结果实例(b) Nexxim预测的I与Q输出
        为了改进仿真的精确度，对片上无源元件(如螺旋电感和金属-氧化物-金属(MoM)电容)进行综合、参数抽取并加入电路仿真中。台联电和Ansoft已经实现了一种电磁设计方法(EMDM)，这种方法采用全波三维仿真工具来建立片上无源器件的模型，其精度可以追溯到晶元制造工艺。对于螺旋电感，电感值和品质因素(Q)可利用先进的全波有限元仿真，通过Ansoft的HFSS来计算。
        为方便电路设计工程师们使用全三维电磁场工具，Ansoft创建了一种针对台联电的器件向导(Component Wizard)，用于建立与他们的代工设计工艺相匹配的参数化模型。图8描述了Component Wizard以及台联电使用的工艺，可以创建易于解决的参数化HFSS项目。

                        

                           图7：组件向导器读取UMC工艺技术文档和P-cell以创建易于解决的参数化HFSS项目
        器件向导使用Cadence版图P-cell与层堆叠技术文件，来在HFSS中创建完全参数化的螺旋电感参数库。这个库可以作为经过验证的EMDM设计工具包提供给台联电客户。还提供了一种将优化设计反向标注回通用的版图工具的方法。

        图8比较了HFSS仿真结果与两个环形螺旋电感的测量结果，显示了电感量和品质因素优秀的一致性。

               

          图8：环形螺旋电感的HFSS仿真与测量的电感值和Q的比较(a) 150um外部直径；
                  
          图8：环形螺旋电感的HFSS仿真与测量的电感值和Q的比较(b) 300um外部直径
物理电路版图设计

        设计过程的下一步是电路版图生成。对关键的模拟模块需要特别加以注意，这些模拟电路模块通常是通过手动布线来确保高度敏感的模拟电路满足技术指标要求。在版图设计完成后，应该利用电磁仿真来得到无源器件模型和互连之间的相互影响。

        由于像HFSS这样的仿真工具和运算平台的性能不断提高，因此现在可以在关键的无线电模块的整个版图上使用三维仿真。其优势是这种精确的方法能够仿真所有的高频版图设计效应，包括片上电感、互连、片上无源器件以及到其它互连结构的耦合和介质耦合。并且对寄生现象和耦合效应不做任何假设和近似。对于整个模块严格的电磁参数抽取能够消除关于该包含哪个寄生效应的所有不确定因素。

        图9描述了整个VCO模块版图的HFSS仿真项目，不包括所有的有源组件和MoM电容。在双处理器PC上仅仅用9个多小时的时间就解决了这个142端口HFSS项目，需要2.15GB的内存。

                     

                                    图9：在HFSS中仿真的关键VCO电路版图几何尺寸
        图10显示了VCO负阻振荡器S11幅度(蓝色)和相位(红色)，图中表明当提取了整个模块的寄生效应，并将其加入到电路仿真中以后，器件无法起振。如果不进行电磁场仿真，这样的问题只有在出带、制造和测试之后才能发现。这一级别的版图提取和验证对于确保一次性流片成功来说非常重要。

                                   

        图10：VCO负阻振荡器S11幅度(蓝色)和相位(红色)位图,S11必须位于绿色虚线之上，器件才能振荡(a) 没有进行整板仿真时，电路振荡于4.4GHz；

                                 
        图10：VCO负阻振荡器S11幅度(蓝色)和相位(红色)位图,S11必须位于绿色虚线之上，器件才能振荡(b) 整板仿真之后包含了寄生效应，器件无法起振
管理封装寄生效应

        在电路仿真中加入封装寄生效应是设计过程中的另外一个关键步骤，在射频段，即使是很小的引线电感也会对电路性能产生显著的影响。

        图11中所示是一个QFN封装的HFSS模型，通过仿真我们可以得到所有管脚的S参数矩阵并进一步计算得到所有引线电感。

                       

              图11：QFN IC封装模型(a) 在HFSS中建立的仿真模型；

                                    
                                  图11：QFN IC封装模型(b) 有限元网格剖分
        图12所示为在有和没有接地及电源引线电感两种情况下，图13中的电路的小信号性能。

                        

        图13：UWB接收器原理图包括T/R开关，可变增益LNA，不平衡变压器，I/Q解调器和基带滤波/AGC


                       


        图14：在考虑和不考虑接地及电源引线电感两种情况下，图13中的电路从LNA看进去的输入回波损耗。蓝色曲线是不考虑接地及电源引线电感时的参考曲线；红色曲线包括了T/R开关的接地及电源封装引线电感；绿色曲线将T/R开关和LNA的接地及电源封装引线电感全部包括在内，电路开始不稳定

        从这个图中可以看出，从LNA看进去的稳定响应(S11<0dB)决定于是否包括地和电源引线电感模型。在相同的仿真中可以观察到LNA小信号增益由于地电感降低大约15dB。这个信息可以引导对设计的及时调整，这种调整反过来可以使电路稳定。

验证平台

     最后，具有多个功能模块的晶体管级电路以及包含所有提取的寄生效应的全芯片验证使用一种系统(行为级)测试平台来实现。图15描述了全芯片验证系统测试平台。MBOA位和帧的精确时域波形被自动地连接到接收机电路的输入。

                        

                                         图15：在系统测试平台上对无线收发系统进行晶体管级全芯片验证
        Nexxim使用HFSS提取的寄生效应进行电路仿真，产生的全芯片分析的有代表性的结果包括接收器输入信号频谱图(图16a)和显示了接收器上检测到的QPSK符号的星座图(图16b)。

                        

                                          图16：全芯片验证仿真结果(a) 接收机输入端频谱；

                       
                              图16：全芯片验证仿真结果(b) 接收机检测到的QPSK符号星座图
本文小结

        工程师和EDA供应商了解成功的RFIC设计需要一个具有四个主要组件的开发基础架构，它们分别是：

1. 支持时域和频域分析以及很大晶体管数量和在这样的器件中发现的谐波部分的电路仿真技术；

2. 经过验证的基于电磁的建模过程，这个过程能提供准确的、可扩展的无源器件以及开/关芯片互连和封装寄生参数描述；

3. 完善建立的设计流程，这个设计流程将这个电路仿真与EM技术衔接到经代工厂验证的器件模型、参数版图单元以及物理实现能力(如DRC与LVS)；

4. 系统级开发工具用于开始的连接估算与最终的“测试平台”设计验证。Ansoft的技术领先的分析工具能直接进入到已建立的IC设计和验证流程，以满足这些严格的要求。