射頻電路設(shè)計(jì)的困境及對(duì)策

2019-11-03 10:00:38

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供稿：網(wǎng)友

Gabe Moretti，EDN技術(shù)編輯

　　射頻電路的設(shè)計(jì)技術(shù)一度專(zhuān)屬于少數(shù)專(zhuān)家掌握并擁有其自己的專(zhuān)用芯片組，如今已能和數(shù)字電路模塊及模擬電路模塊集成在同一塊 IC 里了。再則，射頻電路設(shè)計(jì)中固有的臨界尺寸要求，更增加了工程壓力。

　　要點(diǎn)

　　● 射頻電路設(shè)計(jì)師必須經(jīng)常采用間接測(cè)量電路性能的方式，來(lái)推斷電路故障的原因。

　　● 射頻電路設(shè)計(jì)問(wèn)題正在影響數(shù)字電路設(shè)計(jì)和模擬電路設(shè)計(jì)。

　　● 將射頻電路集成在同一塊印制電路板或 IC 上，這會(huì)促使人們使用一種新的設(shè)計(jì)方法。

　　● EDA 廠(chǎng)商正在開(kāi)始提供集成時(shí)域仿真和頻域仿真的分析工具。

　　射頻電路設(shè)計(jì)就是對(duì)發(fā)射電磁信號(hào)的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。射頻意為無(wú)線(xiàn)電頻率，因?yàn)樯漕l電路在其初期，只能發(fā)射調(diào)幅和調(diào)頻兩個(gè)波段的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)。今天，把高頻電路設(shè)計(jì)稱(chēng)為“射頻電路設(shè)計(jì)”，只是沿用了歷史名稱(chēng)。圖1表明，自從 20 世紀(jì) 60 年代使用 UHF 電視技術(shù)以來(lái)，廣播設(shè)備使用高于 300000 MHz的頻率。從那時(shí)以來(lái)，通信設(shè)備的內(nèi)容、頻率和帶寬都增加了。安捷倫科技（Agilent Technologies）公司負(fù)責(zé)先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(ADS)平臺(tái)的經(jīng)理Joe Civello說(shuō)，對(duì)模擬/混合信號(hào) IC 設(shè)計(jì)師的挑戰(zhàn)正以前所未有的速度在加劇。在加大帶寬和提高最終產(chǎn)品功能的市場(chǎng)需求推動(dòng)下，設(shè)計(jì)正在進(jìn)入更高的頻率范圍，并不斷提高復(fù)雜性。工程師們正在把射頻電路與模擬及數(shù)字納米電路集成在一起。吉比級(jí)數(shù)據(jù)速率正在使數(shù)字電路像微波電路那樣工作。不斷擴(kuò)充而更復(fù)雜的無(wú)線(xiàn)通信標(biāo)準(zhǔn)，如 WiFi（無(wú)線(xiàn)相容性認(rèn)證）802.11a/b/g、超寬帶和藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)，都要求設(shè)計(jì)師去評(píng)估其設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)整體性能的影響。

　　形狀因子、功耗和成本推動(dòng)著模擬電路設(shè)計(jì)、射頻電路設(shè)計(jì)和數(shù)字電路設(shè)計(jì)的日益集成化。便攜式設(shè)備小巧輕便，功耗和成本盡可能低。集成度直接影響著最終電子產(chǎn)品的制造成本、尺寸和重量，通常也決定所需功率的大小。設(shè)計(jì)師從材料清單中每去掉一個(gè)元件，維持該元件的供應(yīng)鏈所需日常開(kāi)支就會(huì)隨之減少，最終產(chǎn)品的制造成本就會(huì)下降，產(chǎn)品尺寸也會(huì)縮小。

　　德州儀器公司(TI)負(fù)責(zé)無(wú)線(xiàn)應(yīng)用的研究經(jīng)理Bill Krenik說(shuō)，射頻電路的設(shè)計(jì)一向是很困難的，因?yàn)槿狈η‘?dāng)?shù)臋z測(cè)儀器，使高頻信號(hào)的分析復(fù)雜化了。工程師們不得不采取間接的測(cè)量方法，并根據(jù)他們能夠觀(guān)察到的電路行為狀態(tài)來(lái)推斷電路特性。隨著工程師們?cè)谕粔K芯片上實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路、模擬電路和射頻電路，種種集成問(wèn)題就使這一問(wèn)題進(jìn)一步復(fù)雜化。通過(guò)襯底傳輸或通過(guò) IC 表面輻射的數(shù)字信號(hào)會(huì)影響射頻或模擬部分的噪聲敏感度。這些潛在的影響大多會(huì)結(jié)合在一起，從而使最初的硅片存在各種問(wèn)題。傳統(tǒng)的調(diào)試方法也許不再適用，這意味著你必須正確地進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在設(shè)計(jì)投片之前就要準(zhǔn)確無(wú)誤地對(duì)盡可能多的物理效應(yīng)建立模型。當(dāng)設(shè)計(jì)方法不能準(zhǔn)確地建立硅片的模型時(shí)，設(shè)計(jì)小組通常別無(wú)選擇，只能把器件制造出來(lái)，再去觀(guān)察其工作狀態(tài)。走這條途徑就像一場(chǎng)賭注很高的賭博，多數(shù)公司只是把它作為最后的一招。

　　模擬電路和射頻電路歷來(lái)都制作在各自的芯片上，這樣可以更方便地在系統(tǒng)中隔離噪聲，防止耦合到電路的敏感節(jié)點(diǎn)中。工程師們把這幾類(lèi)設(shè)計(jì)元件都集成在同一塊芯片上時(shí)，就不能忽視噪聲問(wèn)題。假如沒(méi)有某種形式的精確硅襯底模型，工程師們也許要到硅片從工廠(chǎng)退回后才會(huì)知道問(wèn)題的存在。這類(lèi)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)幾乎總是需要一個(gè)由各個(gè)工程領(lǐng)域的專(zhuān)家組成的小組。很少有哪個(gè)設(shè)計(jì)師既有射頻專(zhuān)業(yè)知識(shí)，又有模擬電路專(zhuān)業(yè)知識(shí)；再則，射頻電路專(zhuān)家和模擬電路專(zhuān)家使用不同的開(kāi)發(fā)工具，而且可能居住在不同的地方，從而導(dǎo)致最終芯片集成期間的困難增加。

　　每一個(gè)獨(dú)特的設(shè)計(jì)領(lǐng)域各有用于開(kāi)發(fā)和模塊測(cè)試的方法和技術(shù)。工程師們用來(lái)設(shè)計(jì)模擬電路的方法與設(shè)計(jì)數(shù)字電路的方法有著根本的差別，同樣，模擬電路與射頻電路也有明顯區(qū)別。例如，在模擬領(lǐng)域和射頻領(lǐng)域中，不存在能支持綜合的布爾代數(shù)等價(jià)物。而且，在頻率域中對(duì)數(shù)字電路塊的仿真是毫無(wú)意義的。由于這些基本的差別，在設(shè)計(jì)開(kāi)始前必須考慮到各種設(shè)計(jì)方法之間常常會(huì)不匹配。設(shè)計(jì)師幾乎總是在時(shí)間域中進(jìn)行數(shù)字設(shè)計(jì)，而在頻率域中進(jìn)行射頻設(shè)計(jì)（為了提高仿真速度）。把兩種類(lèi)型的設(shè)計(jì)集成在同一塊芯片上，可能意味著整個(gè)芯片的仿真時(shí)間會(huì)拉長(zhǎng)到不現(xiàn)實(shí)的地步。在設(shè)計(jì)流程的測(cè)試階段和驗(yàn)證階段，情況也是如此。數(shù)字電路的測(cè)試不同于模擬電路的測(cè)試，同樣，設(shè)計(jì)的模擬部分也不同于射頻部分。盡管有這些問(wèn)題，但設(shè)計(jì)師們已經(jīng)開(kāi)發(fā)并將繼續(xù)開(kāi)發(fā)把所有這三個(gè)領(lǐng)域組合在一起的產(chǎn)品。

　　模擬器件 (Analog Devices) 公司射頻和無(wú)線(xiàn)電部的業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)總監(jiān)Doug Grant，講述了一次成功的工程開(kāi)發(fā)，雖然當(dāng)時(shí)的工具還有種種缺點(diǎn)。當(dāng)模擬器件公司決定采用直接變頻，即“零中頻”體系結(jié)構(gòu)來(lái)減少 Othello 系列射頻收發(fā)器的元件數(shù)量和成本時(shí)，設(shè)計(jì)師們必須使用各種技術(shù)來(lái)解決體系結(jié)構(gòu)問(wèn)題。直接變頻的最大問(wèn)題是直流偏移校正，特別是當(dāng)你將直接變頻應(yīng)用于時(shí)分多路復(fù)用系統(tǒng)如GSM（全球移動(dòng)通信系統(tǒng)）時(shí)更是如此，這是因?yàn)闀r(shí)分多路復(fù)用系統(tǒng)對(duì)每個(gè)突發(fā)脈沖串都必須進(jìn)行偏移補(bǔ)償，而每個(gè)突發(fā)脈沖串的偏移則各不相同。多數(shù)客戶(hù)和同行引用其他供應(yīng)商以前的失敗嘗試，都竭力勸告不要采用直接變頻。首要問(wèn)題是要通過(guò)仔細(xì)地設(shè)計(jì)發(fā)射器電路，盡可能減小偏移。設(shè)計(jì)師在射頻系統(tǒng)首先要進(jìn)行的是頻率規(guī)劃，使本振泄漏導(dǎo)致的自混頻減少至最低程度。其次是對(duì)高增益基帶放大器和濾波器進(jìn)行細(xì)心設(shè)計(jì)；這需要傳統(tǒng)的模擬電路設(shè)計(jì)工具和仿真，獲得良好的——但不是足夠好的——性能。

　　當(dāng)時(shí)工程師們?cè)黾恿藥讉€(gè)低精度數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，用以進(jìn)行軟件控制的直流偏移調(diào)整，使情況有所改善，但仍不足以應(yīng)付各種可能的情況。進(jìn)一步減小偏移需要更高的功率、更大的芯片面積，因此混合信號(hào)設(shè)計(jì)師和系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須找到一個(gè)共同的解決方案。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師建議，動(dòng)態(tài)范圍增加幾分貝是吸收殘余偏移所必不可少的。作為對(duì)此建議的響應(yīng)，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)師改進(jìn)了以前的設(shè)計(jì)，他們結(jié)合運(yùn)用模擬電路和數(shù)字電路的設(shè)計(jì)工具和仿真，使增加的功耗為最小。然后，系統(tǒng)小組與物理層軟件小組合作，利用一個(gè)不會(huì)大量增加運(yùn)算能力的、經(jīng)過(guò)改進(jìn)的偏移校正例程來(lái)完善信道補(bǔ)償算法。經(jīng)過(guò)集體努力，終于開(kāi)發(fā)出一種牢靠的直接變頻收發(fā)器。

　　射頻電路設(shè)計(jì)

　　模擬器件公司高速變換器部產(chǎn)品系列總監(jiān)Dave Robertson說(shuō)，在產(chǎn)品規(guī)劃和開(kāi)發(fā)期間，射頻電路設(shè)計(jì)師必須處理四類(lèi)問(wèn)題。他們必須考慮各種商業(yè)問(wèn)題，如芯片尺寸、成品率和上市時(shí)間。他們必須考慮為產(chǎn)品打開(kāi)最大的應(yīng)用市場(chǎng)的互操作性標(biāo)準(zhǔn)。工程師們還必須考慮產(chǎn)品工作的頻率域。要使用的頻段可能是特許的，也可能是非特許的，不過(guò)，無(wú)論哪種情況，它都將受到國(guó)家機(jī)構(gòu)和國(guó)際組織的監(jiān)管。最后，設(shè)計(jì)師必須處理產(chǎn)品的物理層，因?yàn)樗麄儽仨氃谶@一層解決許多非線(xiàn)性問(wèn)題。

　　在系統(tǒng)級(jí)上，無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)師必須評(píng)估系統(tǒng)的整體功能和性能，其中包括數(shù)據(jù)吞吐量、信道干擾和功耗。評(píng)估結(jié)果有助于系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師確定各種設(shè)計(jì)元件的要求和規(guī)范，供電路級(jí)設(shè)計(jì)使用。電路設(shè)計(jì)師在晶體管級(jí)實(shí)現(xiàn)每個(gè)元件，并在理想情況下應(yīng)能利用系統(tǒng)級(jí)規(guī)范作為測(cè)試基準(zhǔn)，對(duì)照系統(tǒng)要求來(lái)驗(yàn)證元件性能。在物理實(shí)現(xiàn)級(jí)，設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)出每個(gè)射頻元件的布局，并根據(jù)原始產(chǎn)品要求，把每個(gè)元件封裝在一個(gè)或多個(gè)器件中。他們必須對(duì)包括器件和互連線(xiàn)寄生效應(yīng)在內(nèi)的布局進(jìn)行驗(yàn)證，以確保最終的性能和可制造性。將射頻器件集成到產(chǎn)品中的設(shè)計(jì)師必須有一種能在設(shè)計(jì)完成之前評(píng)估系統(tǒng)性能的方法。

　　AWR(Applied Wave Research)公司總裁兼首席執(zhí)行官James Spoto看到了某種挑戰(zhàn)，因?yàn)樗羞@些設(shè)計(jì)領(lǐng)域或階段均被孤立的 EDA 環(huán)境和數(shù)據(jù)庫(kù)隔離開(kāi)來(lái)，并且都使用不適用于吉赫頻率的工具和模型。體系結(jié)構(gòu)模型和實(shí)際電路性能之間的相關(guān)性很差。體系結(jié)構(gòu)模型忽視射頻電路的多種缺陷，如噪聲、失真和阻抗不匹配，或與這些缺陷的近似性很差。

　　AWR 公司的Analog Office設(shè)計(jì)套件旨在緩解這個(gè)問(wèn)題。它側(cè)重于射頻收斂，并在跨越 IC 設(shè)計(jì)流（從系統(tǒng)級(jí)到電路級(jí)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證）的統(tǒng)一設(shè)計(jì)環(huán)境中提供一種互連線(xiàn)驅(qū)動(dòng)的、具有射頻意識(shí)的并行設(shè)計(jì)方法。它包括設(shè)計(jì)和原理圖的輸入，時(shí)間域和頻率域的仿真和分析，物理布局（帶有自動(dòng)器件級(jí)布局布線(xiàn)以及集成式設(shè)計(jì)規(guī)則校驗(yàn)程序）基于求解程序的 3D 全場(chǎng)提取[使用 OEA 國(guó)際公司(www.oea.com)的技術(shù)]，以及支持射頻測(cè)量的整套波形顯示和分析功能。

　　Ansoft 公司用具有數(shù)據(jù)輸入和可視化功能以及時(shí)間、頻率和混合模式仿真的Ansoft Designer 來(lái)支持射頻電路設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)級(jí)仿真時(shí)，除了其射頻與 DSP 元件庫(kù)以外，Ansoft Designer支持編譯型和解釋型 C 和 C++ 用戶(hù)自定義模型的聯(lián)合仿真，以及Mathworks 公司的 Matlab 聯(lián)合仿真。電路仿真求解包括為獲得非線(xiàn)性噪聲、瞬態(tài)、數(shù)字調(diào)制、非線(xiàn)性穩(wěn)定性以及負(fù)載與信源拉升而進(jìn)行的分析。它還具有適用于濾波器和傳輸線(xiàn)的設(shè)計(jì)綜合功能。該產(chǎn)品包括一個(gè)布局與制造模塊以及一個(gè) 3D 平面電磁仿真引擎。

　　Eaglewave 公司的 Genesys套件包括原理圖輸入、若干仿真引擎、適用于一些模擬電路的綜合功能，以及生產(chǎn)和定制功能。仿真引擎支持線(xiàn)性電路仿真、頻譜域系統(tǒng)仿真、諧波平衡非線(xiàn)性仿真，以及多級(jí)平面 3D 電磁仿真。它還具有適用于傳輸線(xiàn)、運(yùn)算放大器濾波器、LC 濾波器、直接 LC/分布式濾波器、鎖相環(huán)、振蕩器、微波分布式濾波器以及延遲均衡和阻抗匹配電路的綜合功能。

　　Neolinear 公司為射頻電路設(shè)計(jì)師提供的是 NeoCircuit-RF。該工具具有適用于一系列射頻元件的設(shè)計(jì)輸入、仿真和綜合功能。

　　它利用 Cadence 公司的 Specctre RF 仿真程序和安捷倫公司的 ADS 仿真程序來(lái)交互地或自動(dòng)地對(duì)各種定制的射頻電路進(jìn)行尺寸調(diào)整、偏置和驗(yàn)證。工程師可以利用內(nèi)置的功能進(jìn)行測(cè)量，或者通過(guò)開(kāi)放式 API（應(yīng)用編程接口）添加自己的專(zhuān)有測(cè)量方法。NeoCircuit-RF 能利用 LSF(www.platform.com)或 Grid Engine(www.gridengine.sunsource.net)在設(shè)計(jì)小組成員之間適當(dāng)?shù)毓芾砜捎玫膱?zhí)行許可證，從而把綜合工作分配給多臺(tái)機(jī)器。

　　許多射頻設(shè)計(jì)平臺(tái)都集成有安捷倫科技公司的 ADS(Advanced Design System)。ADS有好幾個(gè)仿真引擎，其中包括交流、直流、S-參數(shù)和諧波平衡仿真引擎，以及電路包絡(luò)仿真引擎和瞬態(tài)及會(huì)聚仿真引擎。據(jù) Dataquest 公司說(shuō)，安捷倫科技公司是射頻電路設(shè)計(jì)市場(chǎng)的領(lǐng)頭羊，這并不使人感到意外。

　　在低達(dá)幾兆赫的頻率時(shí)，射頻效應(yīng)也可能會(huì)很顯著，這取決于設(shè)計(jì)的尺寸大小。即使是幾百兆赫的時(shí)鐘頻率也會(huì)有頻率分量進(jìn)入吉赫范圍?；緯r(shí)鐘頻率的這些高頻諧波能很容易地從電路板或芯片輻射出去，從而在設(shè)計(jì)的其它部位造成噪聲和干擾問(wèn)題。目前，模擬電路設(shè)計(jì)師和數(shù)字電路設(shè)計(jì)師都看到“高頻”在其設(shè)計(jì)中造成不希望有的后果，即信號(hào)污染、串?dāng)_、襯底耦合和寄生效應(yīng)。業(yè)界使用“信號(hào)完整性”這個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)描述數(shù)字電路設(shè)計(jì)中不希望有的射頻效應(yīng)。參考文獻(xiàn) 1 介紹了多種有助于你避免其中一些問(wèn)題的EDA 工具。寄生效應(yīng)提取工具和時(shí)域仿真程序用在高頻時(shí)描述連線(xiàn)工作狀態(tài)的各種模型代替了理想的連線(xiàn)。雖然這些工具比不建立寄生效應(yīng)模型要好，但只是對(duì)連線(xiàn)射頻性質(zhì)的一階近似。更詳細(xì)、更精確的電磁及卷積建模軟件有助于解決設(shè)計(jì)中最重要而又最敏感的部分，但仿真花費(fèi)時(shí)間更長(zhǎng)，而且只在布局或封裝設(shè)計(jì)的小區(qū)域內(nèi)才切實(shí)可行。

　　工程師們歷來(lái)習(xí)慣在單獨(dú)而又孤立的模塊上設(shè)計(jì)射頻電路。人們要求減小手機(jī)和 PDA 等消費(fèi)電子產(chǎn)品的形狀因子，從而出現(xiàn)了帶射頻電路的印制電路板設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)取決于工作頻率。在較低的頻率時(shí)，你可以在電路板上安裝分立的射頻元件，再用阻抗可控的印制線(xiàn)和通孔把它們連接起來(lái)。在進(jìn)行需要較高頻率的設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師必須利用參數(shù)曲線(xiàn)以及預(yù)先計(jì)算的散射參數(shù)（即 S-參數(shù)）模型，才能用傳輸線(xiàn)和器件模型來(lái)設(shè)計(jì)所有物理元件。在縮小體積的需求驅(qū)使下，甚至出現(xiàn)了對(duì)這些預(yù)定義參數(shù)曲線(xiàn)的交互式修改。為了驗(yàn)證電路，你必須先使用一種 3D 電磁場(chǎng)求解程序來(lái)建立傳輸線(xiàn)模型。然后，你必須使用一個(gè)電路仿真程序來(lái)進(jìn)行功能驗(yàn)證。具有吉比數(shù)據(jù)速率的高速器件的集成，已經(jīng)抬高了高速電路設(shè)計(jì)和仿真的門(mén)檻，并且需要更精確的模型來(lái)描述這些器件內(nèi)部的通信體系結(jié)構(gòu)。

　　數(shù)字電路設(shè)計(jì)師習(xí)慣于把邏輯功能封裝成預(yù)先定義的元件，然后在印制電路板上把它們連接起來(lái)。工作頻率很高的射頻電路很少采用預(yù)先定義的元件；包括印制線(xiàn)、通孔和導(dǎo)電圖形等在內(nèi)的互連傳輸線(xiàn)構(gòu)成功能電路。這種方法需要對(duì)射頻電路行為更透徹的了解，而且嚴(yán)重依賴(lài)于電磁仿真程序和電路仿真程序。此外，射頻電路噪聲大且很敏感，需要進(jìn)行物理隔離。

　　高速電路設(shè)計(jì)和射頻電路設(shè)計(jì)都涉及到建立互連傳輸線(xiàn)的精準(zhǔn)模型。高速電路采用復(fù)雜的分立數(shù)字元件。射頻電路包含了金屬化層內(nèi)的元件，從而取消了分立元件。在射頻電路設(shè)計(jì)中，互連印制線(xiàn)建模復(fù)雜，需要使用 3D 電磁場(chǎng)求解程序。在射頻-模擬窄帶設(shè)計(jì)中，傳輸元件形狀為電路提供無(wú)源元件，如電容、電感和短路。這些無(wú)源元件只在所需信號(hào)工作的狹窄頻率范圍內(nèi)有用，而在其它頻率下則具有不希望有的特性。因此，一個(gè)為“射頻-模擬”設(shè)計(jì)的印刷電路板銅箔形狀僅供一個(gè)頻帶相當(dāng)窄的信號(hào)使用。雖然半導(dǎo)體廠(chǎng)商和 EDA 廠(chǎng)商都在努力開(kāi)發(fā)精確的射頻器件模型，使之能夠被有效地仿真，但多數(shù)設(shè)計(jì)師仍然依賴(lài)于射頻集成電路廠(chǎng)商提供的設(shè)計(jì)指南和參考設(shè)計(jì)。

　　工程師們之所以使用高速串行 I/O，乃是因?yàn)樗阅芨?、成本更低，設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單。Xilinx 公司的 RocketPHY 收發(fā)器具有 10Gbps的數(shù)據(jù)速率，允許設(shè)計(jì)師使用比傳統(tǒng)并行總線(xiàn)體系結(jié)構(gòu)更快的串行連接。利用數(shù)吉比串行 I/O 技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要更加注意影響信號(hào)完整性的各種問(wèn)題，如衰減、噪聲和反射。因此，工程師們必須使用通常只有射頻設(shè)計(jì)師使用的技術(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，因?yàn)榉植技纳?yīng)的確切特性對(duì)于系統(tǒng)的總體行為是至關(guān)重要的。工程師通常使用 S-參數(shù)來(lái)描述各種與傳輸線(xiàn)、封裝和連接器有關(guān)的寄生效應(yīng)特性。Synopsys 公司的 HSpice 仿真程序具有一整套豐富的分析功能、絕好的模型和對(duì) S-參數(shù)模型的支持。Xilinx 公司的設(shè)計(jì)師在開(kāi)發(fā) RocketPHY 收發(fā)器期間，使用 HSpice 來(lái)描述該收發(fā)器的特性。

　　除了與安捷倫科技公司等射頻電路設(shè)計(jì)主要廠(chǎng)商的聯(lián)盟以外，Mentor 公司還擁有一些印制電路板射頻電路的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證工具。Mentor 公司已對(duì)其芯核設(shè)計(jì)定義產(chǎn)品和芯核設(shè)計(jì)布局產(chǎn)品，即 Board Architect 和 Board Station，進(jìn)行了改進(jìn)，以便了解各種射頻元件。你可以利用兼有ModelSim 和 ADMS 兩種仿真引擎功能的System Vision對(duì)混合信號(hào)電路進(jìn)行仿真。Mentor 公司更新了它的 ICX 和 HyperLynx 仿真程序，以處理更精確的傳輸線(xiàn)模型，如有損耗傳輸線(xiàn)和與頻率有關(guān)的通孔。

　　Cadence 公司的 PCB Design Expert 使工程師能在設(shè)計(jì)過(guò)程的各個(gè)階段導(dǎo)入射頻子電路的設(shè)計(jì)模塊，與信號(hào)分析工具連接，并定義和約束關(guān)鍵的高速信號(hào)。

　　數(shù)字IC、模擬IC和射頻 IC的設(shè)計(jì)師面臨的主要挑戰(zhàn)是：找到一個(gè)合適的仿真環(huán)境，他們能夠在這個(gè)環(huán)境里評(píng)估可能的解決方案，并驗(yàn)證所選用的方法。從歷史上看，高頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師使用頻域仿真技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)射頻元件和微波元件，而模擬/混合信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師則使用時(shí)域仿真技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)大規(guī)模集成電路，并獨(dú)立從事各自的設(shè)計(jì)。模擬/混合信號(hào)系統(tǒng)工程師設(shè)計(jì)當(dāng)今的許多射頻/混合信號(hào) IC，并使用時(shí)域仿真技術(shù)(Spice)來(lái)尋找電壓增益，電壓增益和阻抗的交流掃描，噪聲電壓，等等。不過(guò)，EDA 廠(chǎng)商們則利用頻域仿真技術(shù)，開(kāi)發(fā)了大多數(shù)針對(duì)高頻應(yīng)用的技術(shù)。關(guān)心頻域數(shù)據(jù)的射頻工程師們可以輕松地利用頻域仿真工具來(lái)設(shè)計(jì)電路塊。

　　隨著高度集成的大規(guī)模射頻/混合信號(hào) IC 的問(wèn)世，高頻系統(tǒng)和模擬/混合信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師現(xiàn)在必須共用硅片。同時(shí)，設(shè)計(jì)小組正在利用多種半導(dǎo)體技術(shù)把高頻元件、模擬元件和數(shù)字元件組合在高度集成的模塊上，由此實(shí)現(xiàn)各種完整的系統(tǒng)。

　　正是這種情形，使各種設(shè)計(jì)方法正在合并，使統(tǒng)一的射頻/混合信號(hào)電路設(shè)計(jì)小組應(yīng)運(yùn)而生。從高頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，設(shè)計(jì)的規(guī)模和復(fù)雜性正在提高，從而更加需要用時(shí)域仿真技術(shù)來(lái)補(bǔ)充他們熟悉的頻域仿真技術(shù)。從模擬/混合信號(hào)電路設(shè)計(jì)師的角度來(lái)看，數(shù)據(jù)速率和信號(hào)頻率正在提高，從而愈加需要用頻域仿真技術(shù)補(bǔ)充他們熟悉的時(shí)域仿真技術(shù)。

　　對(duì)于某一種既需要時(shí)域分析又需要頻域分析的設(shè)計(jì)，有一種方法可以處理它的仿真問(wèn)題，即把所有描述抽象為行為模型，這樣你就可以減輕仿真器的計(jì)算負(fù)擔(dān)，且保持合理的 CPU 運(yùn)行時(shí)間。有了這些方法，射頻和模擬電路塊以及射頻和模擬信號(hào)就可以線(xiàn)性化或簡(jiǎn)化為“基帶”模型，這樣就可以使仿真速度最快。Matlab 是一種普遍用來(lái)從體系結(jié)構(gòu)上探索混合模式設(shè)計(jì)的工具。它和使用這種方法的其它工具都采用在結(jié)構(gòu)和功能上通常接近于C或C++的專(zhuān)有描述語(yǔ)言。這些工具都使用數(shù)據(jù)流算法，而且通常均能實(shí)現(xiàn)比 HDL 仿真器速度更快的仿真?？焖俚娜δ芊抡嫫鳟?dāng)然是可取的，而且在許多情況下也很有用，但很多資深的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師抱怨說(shuō)，這些仿真所提供的數(shù)據(jù)幾乎沒(méi)有他們還不知道的。

　　在體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)之間存在著根本的隔閡。如果設(shè)計(jì)描述所用的格式就是體系結(jié)構(gòu)探索使用的格式，那么你就無(wú)法繼續(xù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。在接近真實(shí)的實(shí)現(xiàn)時(shí)，你必須利用不同的實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言來(lái)更加詳細(xì)地描述射頻電路塊和模擬電路塊——最終深入到晶體管級(jí)。

　　就模擬電路設(shè)計(jì)而言，Spice 系列電路仿真程序仍然是最受歡迎的。不過(guò)，為了使結(jié)果達(dá)到所需要的精確度，Spice 仿真需要很長(zhǎng)的執(zhí)行時(shí)間。在最近幾年里，EDA 廠(chǎng)商已提供了“快速 Spice”仿真程序，它們使用查尋表模型或時(shí)序算法，或兩者兼而用之，而不使用傳統(tǒng)的 Spice 算法。這些工具能大大縮短模擬電路領(lǐng)域和混合信號(hào)電路領(lǐng)域的仿真時(shí)間，而你需要在晶體管級(jí)進(jìn)行大型數(shù)字電路塊的仿真時(shí)最為成功。不過(guò)，對(duì)于包含射頻前端的系統(tǒng)而言，不是精確度不夠，就是精確度設(shè)定過(guò)于嚴(yán)格，以至于提高執(zhí)行速度都無(wú)濟(jì)于事。一個(gè)典型的射頻集成電路包括射頻前端、模擬信號(hào)處理功能塊，以及大量的數(shù)字邏輯電路功能塊和 DSP 功能塊。模擬電路塊和 DSP 功能塊通常緊密地連接在一起，并可以用混合信號(hào)仿真程序達(dá)到最好仿真效果。你可以把射頻信號(hào)當(dāng)作特殊的模擬信號(hào)，并使用混合信號(hào)仿真程序來(lái)分析你的設(shè)計(jì)。這種方法似乎具有所有必要的靈活性。為了提高速度，你可以使用 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的 VHDL AMS 或更依賴(lài)于廠(chǎng)商的 Verilog AMS，把非關(guān)鍵電路塊抽象為行為模型。你還可以在 Spice 中描述關(guān)鍵的電路塊，從而提高精確度。不過(guò)，就像 Spice 式仿真程序那樣，混合信號(hào)仿真程序也使用時(shí)域算法來(lái)進(jìn)行模擬電路仿真。

　　對(duì)于射頻集成電路的仿真而言，時(shí)域算法會(huì)產(chǎn)生無(wú)法克服的性能問(wèn)題，這是因?yàn)閷?duì) RF IC 的廣泛驗(yàn)證需要支持?jǐn)?shù)字調(diào)制的信號(hào)。系統(tǒng)必須把所有這些復(fù)雜的信號(hào)加到 1-10GHz 的射頻載波上，載波頻率取決于采用的無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。但是，調(diào)制信息的頻率通常低得多，一般是幾百千赫或兆赫。符號(hào)周期一般是 1 微秒左右。工程師必須分析數(shù)千個(gè)符號(hào)來(lái)驗(yàn)證此類(lèi)系統(tǒng)。仿真程序必須執(zhí)行大量的射頻載波周期，時(shí)間步長(zhǎng)是幾十分之一皮秒。這樣的仿真需要數(shù)星期才能完成，并生成數(shù)吉比的輸出文件。因此，時(shí)域仿真不宜對(duì)數(shù)字調(diào)制的信號(hào)進(jìn)行高效分析。

　　Mentor 公司已開(kāi)發(fā)了 ADMS RF 混合信號(hào)/混合域仿真程序。它是“與語(yǔ)言無(wú)關(guān)”的，只使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) IC 設(shè)計(jì)語(yǔ)言。它支持Spice、Verilog、VHDL、Verilog AMS 和 VHDL AMS。你甚至可以根據(jù) VHDL 代碼來(lái)鏈接 C 模塊。因此，工程師們能夠使用最適合于所期望的抽象級(jí)別的設(shè)計(jì)語(yǔ)言，來(lái)描述各個(gè)電路塊。ADMS RF 利用數(shù)字調(diào)制信號(hào)的這種特殊性質(zhì)來(lái)提高仿真性能。

　　安捷倫科技公司和 Cadence 公司結(jié)成 RF/MS IC 聯(lián)盟，目的在于把射頻電路設(shè)計(jì)環(huán)境和 IC 設(shè)計(jì)環(huán)境融合在一起，應(yīng)對(duì)射頻/混合信號(hào) IC 設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)。RF-DE （射頻電路設(shè)計(jì)環(huán)境）使設(shè)計(jì)師能在Cadence IC 設(shè)計(jì)流程內(nèi)利用安捷倫公司的頻域電路仿真技術(shù)和 Cadence 公司的時(shí)域電路仿真技術(shù)。借助 RFDE 的最新發(fā)行版 Wireless IC，設(shè)計(jì)師可以直接驗(yàn)證他們基于 Cadence 環(huán)境的、具有各種基帶體系結(jié)構(gòu)的射頻電路原理圖。他們可以在開(kāi)發(fā)周期的初期，開(kāi)發(fā)各項(xiàng)測(cè)試基準(zhǔn)，并把它們從安捷倫公司的 Advanced Design System 輸出到 RFDE 中。然后，RF IC 設(shè)計(jì)師可以從 Cadence 模擬和混合信號(hào)電路設(shè)計(jì)流程內(nèi)部訪(fǎng)問(wèn)這些測(cè)試基準(zhǔn)，從而在出帶制成硅片前對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。另外，幾種預(yù)配置的無(wú)線(xiàn)測(cè)試基準(zhǔn)可以作為 RFDE 選項(xiàng)。RFDE 無(wú)線(xiàn)測(cè)試基準(zhǔn)使用安捷倫公司的仿真技術(shù)，如 Circuit Envelope、Agilent Ptolemy 和 AMI（Automatic Verification Modeling，自動(dòng)驗(yàn)證建模）。

　　Agilent Connection Manager 與各種 RFDE 無(wú)線(xiàn)測(cè)試基準(zhǔn)一起使用，以便把數(shù)據(jù)從 RFDE 下載到測(cè)試儀器，所以，設(shè)計(jì)師可以在開(kāi)發(fā)周期的較早時(shí)候進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證。用戶(hù)還可以使用 Agilent Momentum（一種基于矩量法的 2.5D 仿真技術(shù)），生成片上無(wú)源元件和互連線(xiàn)路的基于電磁場(chǎng)的精確模型。你可以直接在 Cadence 電路原理圖中仿真這些基于電磁波的模型，而不必進(jìn)行通常的轉(zhuǎn)換來(lái)近似集總元件模型，從而使無(wú)線(xiàn)和高速有線(xiàn)設(shè)備獲得更高的精確度。Momentum 電磁建模和驗(yàn)證功能也是現(xiàn)有阻容提取工具的一種協(xié)作工具。它有助于關(guān)鍵的設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)獲得所需的建模精確度，而這些網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的故障可能會(huì)損害整個(gè)流程的運(yùn)行。

　　RFIC 設(shè)計(jì)中的連接問(wèn)題

　　ARF 電路的性能是由設(shè)計(jì)師和 EDA 工具共同完成的物理實(shí)現(xiàn)的直接結(jié)果。隨著特征尺寸的繼續(xù)縮小，設(shè)計(jì)師在射頻電路設(shè)計(jì)中必須處理的許多問(wèn)題，也在數(shù)字電路設(shè)計(jì)和混合信號(hào)電路設(shè)計(jì)中日益重要。建立寄生效應(yīng)和互連線(xiàn)的模型使仿真問(wèn)題進(jìn)一步復(fù)雜化。然而，精確的射頻器件模型必須包括寄生元件網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)楣ぷ黝l率很高，互連線(xiàn)的精確表述也很有必要。在數(shù)千兆赫頻率下，原先可以忽略的寄生元件可能會(huì)使芯片失效。芯片上的互連線(xiàn)、焊接線(xiàn)和芯片外的微帶互連線(xiàn)始終或時(shí)常要加以注意。另外，建立芯片襯底的模型也是捕獲數(shù)字信號(hào)引起的噪聲所必不可少的。設(shè)計(jì)師既建立互連線(xiàn)的模型，又建立具有大型寄生網(wǎng)絡(luò)的基板模型，這可能是對(duì)仿真器的功能的挑戰(zhàn)。如今提供射頻工藝的大多數(shù)硅片加工廠(chǎng)都提供作為工藝設(shè)計(jì)套件一部分的各種器件的精確仿真模型。

　　這些模型被安排成分級(jí)的子電路，各自描述一個(gè)器件的電路。每個(gè)模型都包括基本的原始元件和一個(gè)由無(wú)源元件和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)組成的非平凡網(wǎng)絡(luò)，以便建立精確射頻仿真所需的附加物理細(xì)節(jié)的模型。例如，無(wú)源元件可以建立漏/源極輸入網(wǎng)絡(luò)、結(jié)型二極管、襯底網(wǎng)絡(luò)、柵極電流網(wǎng)絡(luò)和由器件布局引起的寄生效應(yīng)的模型。

　　原始元件的基本模型要么忽視這些效應(yīng)，要么對(duì)其表達(dá)不夠。寄生網(wǎng)絡(luò)中的一些元件（如螺旋式電感器）性能甚至可能直接取決于工作頻率。這些與頻率有關(guān)的元件在常規(guī)的瞬態(tài)仿真器中仿真，費(fèi)用特別高昂，而在頻域中處理則要容易得多。因此，對(duì)于一張?jiān)韴D中的每個(gè)射頻器件來(lái)說(shuō)，仿真器都必須處理 4 個(gè)以上的附加內(nèi)部節(jié)點(diǎn)以及 10 個(gè)以上的無(wú)源元件。甚至在考慮互連線(xiàn)之前，實(shí)際仿真數(shù)據(jù)的復(fù)雜性就比原理圖級(jí)的數(shù)據(jù)高一個(gè)數(shù)量級(jí)，而每個(gè)器件則要比簡(jiǎn)單的原始元件重要得多。

　　為了達(dá)到精確的仿真，設(shè)計(jì)師必須從布局圖中提取關(guān)鍵射頻電路塊之間的互連線(xiàn)，并對(duì)它們與有源器件一起進(jìn)行仿真。如果在設(shè)計(jì)電路塊時(shí)知道輸入和輸出阻抗，那就可以很容易地把各個(gè)電路塊互相連接起來(lái)，但射頻電路設(shè)計(jì)師們很少遇到這樣的好事。一旦把射頻電路塊集成到最終電路中，他們沒(méi)有互連驅(qū)動(dòng)和負(fù)載線(xiàn)的詳細(xì)信息就無(wú)法設(shè)計(jì)射頻電路塊。這種局限性是行為模型不能解決問(wèn)題的另一個(gè)原因。

　　輸入/輸出級(jí)能捕獲與互連線(xiàn)相互影響的細(xì)節(jié)，但建立這樣的輸入/輸出級(jí)模型通常過(guò)于復(fù)雜。在前置放大器或功率放大器等器件中，大的電流擺幅可能會(huì)在似乎可以忽略的寄生電阻器上產(chǎn)生很大的電壓降，這些器件需要建立精確的互連線(xiàn)模型。設(shè)計(jì)師可以配置市售的布局提取工具，來(lái)生成 R（電阻）網(wǎng)絡(luò)、RC（阻容）網(wǎng)絡(luò)、RCC（耦合電容）網(wǎng)絡(luò)、甚至 RLCK（電感和電感耦合系數(shù)）網(wǎng)絡(luò)。較小的幾何尺寸和較高的頻率，使得完成IC連線(xiàn)的物理建模工作更具挑戰(zhàn)性。通常，提取工具產(chǎn)生一份接受 Spice 語(yǔ)法的任何仿真器都能夠閱讀的類(lèi)似 Spice 的網(wǎng)表。然而，提取的網(wǎng)表有時(shí)可能是數(shù)千萬(wàn)個(gè)元素，尤其在它包括 RCC 或 RLCK 時(shí)更是如此。當(dāng)寄生網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模使仿真速度嚴(yán)重變慢時(shí)，提取工具和仿真器必須提供糾正措施。通過(guò)改變提取參數(shù)，你應(yīng)該能夠縮小網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。借助對(duì)提取工具或仿真器的控制，你還能把網(wǎng)絡(luò)縮小成一個(gè)較小的等效網(wǎng)絡(luò)。另外，你只要去掉網(wǎng)絡(luò)中小得可忽略的電阻器，還可以提高仿真精確度。

　　襯底建模問(wèn)題與互連問(wèn)題有些類(lèi)似。用很大保護(hù)環(huán)來(lái)防止敏感模擬電路和射頻電路免遭數(shù)字電路噪聲干擾的超安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，會(huì)占用較大的硅片面積，通常是令人無(wú)法接受的。為了建立襯底的模型，設(shè)計(jì)師要么使用自己的 Spice 等效網(wǎng)絡(luò)，要么使用商品工具，從布局信息提取出一個(gè)等效網(wǎng)絡(luò)。這些網(wǎng)絡(luò)通常是簡(jiǎn)化的 RC 網(wǎng)絡(luò)，但它們?nèi)匀荒芙o仿真器帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān)。

　　在內(nèi)含射頻電路的單片系統(tǒng)所采用的頻率上，精確地建立焊接線(xiàn)物理效應(yīng)的模型可能是至關(guān)重要的。由一根焊接線(xiàn)引起的幾分之納亨的阻抗變化都會(huì)使一個(gè)穩(wěn)定的設(shè)計(jì)很不穩(wěn)定。設(shè)計(jì)師一般根據(jù)重要程度選用兩種分析方法中的一種。大多數(shù)設(shè)計(jì)師使用 Spice 等效網(wǎng)絡(luò)，而另外一些設(shè)計(jì)師則把電磁仿真應(yīng)用到實(shí)際的物理結(jié)構(gòu)中，以獲得 S-參數(shù)描述。然后，他們對(duì) S-參數(shù)塊和有源器件一起進(jìn)行仿真。

　　這些進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)有相當(dāng)好的線(xiàn)性性，而且使用 S-參數(shù)也是高效率的。然而，電磁仿真的成本可能很高，尤其是當(dāng)你需要很寬帶寬的時(shí)候更是如此。你可以在時(shí)域或頻域中仿真 S-參數(shù)。再則，在仿真速度方面，頻域顯然是更好的選擇。無(wú)論用哪種建模方法（Spice 等效網(wǎng)絡(luò)或電磁場(chǎng)），最終得到的網(wǎng)絡(luò)都比較小。（焊盤(pán)數(shù)量并不隨每一代IC呈指數(shù)式增長(zhǎng)。）焊線(xiàn)的建模可能很棘手，但它們不會(huì)造成過(guò)大的仿真負(fù)擔(dān)。有些應(yīng)用需要對(duì)芯片外的互連與 IC 自身一起進(jìn)行仿真。例如，設(shè)計(jì)師也許必須把 I/O 匹配網(wǎng)絡(luò)看作系統(tǒng)的組成部分。在這種情況下，你通常要把片外的互連線(xiàn)當(dāng)作微帶結(jié)構(gòu)來(lái)建立模型，微帶結(jié)構(gòu)在頻域里定義得最好，因此也可以仿真。Mentor 公司的 ADMS RF 工具允許設(shè)計(jì)師在物理設(shè)計(jì)一級(jí)采用這些分析技術(shù)。作為安捷倫公司和 Cadence 公司合作的成果，RFDE 也可以幫助設(shè)計(jì)師完成設(shè)計(jì)的物理分析。

　　參考文獻(xiàn)

　　1. Marsh, David, "Automation frees high-speed design," EDN, Jan 23, 2003, pg 61.

　　
摘自《END技術(shù)》

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