基于Virtuoso和NI AWR軟件的RF前端模塊集成設(shè)計(jì)流程

　　不斷發(fā)展的通信標(biāo)準(zhǔn)(如LTE-A和5G)正在推動(dòng)RF架構(gòu)創(chuàng)新，因此，在小型化、性能和對(duì)通過提高頻譜效率來提高數(shù)據(jù)吞吐量的技術(shù)支持方面，給RF前端模塊設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)。

　　為了滿足多模和多頻手機(jī)對(duì)更高性能和更小元件尺寸的需求，業(yè)界正在將模塊集成策略從單一封裝中的類似構(gòu)建模塊轉(zhuǎn)換為采用基于多種技術(shù)的多功能前端。這些開發(fā)工作針對(duì)每個(gè)頻率范圍的、基于單個(gè)完全集成的RF模塊產(chǎn)品，包括多模/多頻功率放大器(PA)、雙工器和RF開關(guān)等。

　　通常情況下，模塊和子系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中會(huì)使用多種技術(shù)。這些技術(shù)包括砷化鎵(GaAs)和氮化鎵(GaN)單片微波集成電路(MMIC)，硅RFIC和多層層壓板。每種技術(shù)都封裝在一個(gè)特定的工藝設(shè)計(jì)套件(PDK)中，并會(huì)詳細(xì)說明制造工藝和前端構(gòu)建模塊(組件庫)的電氣和物理屬性。

　　支持多個(gè)PDK和電路/電磁(EM)協(xié)同仿真的多技術(shù)設(shè)計(jì)流程用于分析體聲波(BAW)和表面聲波(SAW)濾波器之間的電相互作用(基于等效電路模型)和多層層壓封裝。它可提供全面的模塊分析和優(yōu)化。但是，開發(fā)硅RFIC開關(guān)、低噪聲放大器(LNA)和PA時(shí)，情況會(huì)有所不同，需要采用針對(duì)性更強(qiáng)的開發(fā)工具。

　　本文介紹了一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)流程，它將PDK轉(zhuǎn)換為可在NI AWR設(shè)計(jì)平臺(tái)中進(jìn)行仿真的流程，以支持芯片封裝協(xié)同設(shè)計(jì)和EM驗(yàn)證。通過將設(shè)計(jì) 導(dǎo)入到可與PDK一起使用的動(dòng)態(tài)庫中，設(shè)計(jì)人員能夠使用最初在完全不同的環(huán)境中創(chuàng)建的復(fù)雜設(shè)計(jì)，基于不同的技術(shù)有效地開發(fā)產(chǎn)品。

　　為特定需求設(shè)計(jì)的EDA工具

　　設(shè)計(jì)人員根據(jù)個(gè)人喜好和特定工具的功能，使用不同的射頻EDA工具來處理單個(gè)或一組設(shè)計(jì)任務(wù)。一些工具專注于高頻MMIC、PCB和模塊設(shè)計(jì)，如Microwave Office電路設(shè)計(jì)軟件。其他廠商，如Cadence的應(yīng)用目標(biāo)是基于硅的RFIC和模塊設(shè)計(jì)。由于這些工具中的每一個(gè)都有各自的優(yōu)勢(shì)，因此最好采用那些支持互操作性和信息交換的設(shè)計(jì)流程，以便設(shè)計(jì)人員可以為每個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)選擇最佳工具。

　　為了支持不同環(huán)境之間的數(shù)據(jù)交換，已經(jīng)開發(fā)了幾種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)文件格式，例如touchstone(SNP)和測(cè)量數(shù)據(jù)交換格式(MDIF)文件。touchstone文件提供S參數(shù)，即網(wǎng)絡(luò)的小信號(hào)模擬或測(cè)量頻率響應(yīng)。MDIF文件允許通過無限數(shù)量的獨(dú)立變量(如頻率或柵極電壓)對(duì)S參數(shù)或噪聲等數(shù)據(jù)進(jìn)行排序。這些格式允許設(shè)計(jì)人員在其仿真中對(duì)器件(例如RFIC或開關(guān))的線性響應(yīng)進(jìn)行建模，并輕松地在設(shè)計(jì)工具之間來回傳遞該模型。

　　多諧波模型(有時(shí)也稱為Keysight X參數(shù))類似于S參數(shù)，增加了模擬大信號(hào)工作條件下的非線性行為的能力。在不同設(shè)計(jì)工具之間使用的其他數(shù)據(jù)格式包括用于電路塊的Spice網(wǎng)表，用于原理圖信息的交換文件格式(IFF)，以及諸如GDSII和DXF的布局格式。

　　這些標(biāo)準(zhǔn)格式可以充分發(fā)揮作用，但它們各有其局限性。例如，S參數(shù)用于線性模擬，它們不適用于非線性模擬。一些RF模擬器只能使用雙端口MDIF文件。大信號(hào)多諧波模型可能需要很長(zhǎng)時(shí)間才能生成和模擬，文件往往很大，難以共享。而對(duì)于X參數(shù)來說，文件可以是千兆字節(jié)。

　　模塊和子系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)

　　對(duì)于集成了使用各種工具開發(fā)的多種技術(shù)的RF模塊，由于整體設(shè)計(jì)任務(wù)的復(fù)雜性，對(duì)工具之間更大互操作性的需求往往超出簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)格式兼容性。前端模塊和其他多技術(shù)設(shè)備可在單個(gè)層壓模塊上包含多達(dá)25個(gè)集成電路，包括BAW和SAW濾波器、III-V RF MMIC PA，以及具有多個(gè)天線的硅開關(guān)和硅LNA。在本文的設(shè)計(jì)實(shí)例中，硅開關(guān)和LNA是在Cadence工具中設(shè)計(jì)的，聲學(xué)/層壓濾波器是在Microwave Office軟件中完成的。圖1所示為典型的多芯片模塊設(shè)計(jì)。

　　基于Virtuoso和NI AWR軟件的RF前端模塊集成設(shè)計(jì)流程圖1：Microwave Office軟件環(huán)境下的典型模塊設(shè)計(jì)為交換機(jī)設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建所有所需開關(guān)狀態(tài)所需的文件非常耗時(shí)。該過程可能容易出錯(cuò)，因?yàn)樾枰С諶FIC涵蓋的250多個(gè)狀態(tài)。對(duì)于touchstone文件，僅捕獲線性行為。對(duì)于開關(guān)甚至聲學(xué)濾波器而言，至關(guān)重要的非線性行為需要由較大的多諧波文件捕獲。隨著RFIC分析和S參數(shù)文件生成，每個(gè)狀態(tài)需要7分鐘，而一個(gè)開關(guān)操作有68個(gè)狀態(tài)，另一個(gè)有25個(gè)狀態(tài)，這時(shí)，需要投入大量的時(shí)間，一般情況下，一個(gè)操作過程會(huì)花費(fèi)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天。

　　Cadence Virtuoso和NI AWR軟件協(xié)同仿真流程

　　本文介紹的解決方案利用了直接在Microwave Office軟件中支持Cadence設(shè)計(jì)的新功能。圖2所示即為此流程。在這里，基于Microwave Office的Spectre網(wǎng)表轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)流程可以使Virtuoso和NI AWR軟件協(xié)同仿真。

　　圖2：NI AWR設(shè)計(jì)平臺(tái)中用于協(xié)同仿真的Cadence Spectre轉(zhuǎn)換流程通過采用硅工藝PDK并通過Spectre設(shè)計(jì)網(wǎng)表將其傳輸?shù)組icrowave Office軟件中，設(shè)計(jì)人員可以訪問所有NI AWR設(shè)計(jì)環(huán)境工具，從而實(shí)現(xiàn)該流程。這些工具包括Visual System Simulator(VSS)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，Microwave Office線性和非線性仿真，APLAC諧波平衡和瞬態(tài)仿真，NI AWR布局工具，以及AXIEM 3D平面和Analyst 3D finite-element method (FEM)EM仿真器。

　　圖3所示為具有片上濾波器的雙極/八擲(DP8T)硅開關(guān)的Virtuoso原理圖，其關(guān)鍵部件是天線開關(guān)模塊(ASM)，它有6種不同的開關(guān)狀態(tài)。

　　網(wǎng)表和運(yùn)行

　　使用“Netlist and Run”命令將創(chuàng)建NI AWR軟件轉(zhuǎn)換所需的文件。由于此命令是在測(cè)試平臺(tái)運(yùn)行的，因此要轉(zhuǎn)換的實(shí)際上是一個(gè)子電路。創(chuàng)建的最關(guān)鍵文件是input.scs，其中包含所有相關(guān)的Cadence原理圖信息。

　　運(yùn)行“Import Spectre Netlist Design”腳本將打開一個(gè)簡(jiǎn)單的用戶界面對(duì)話框。這種開關(guān)設(shè)計(jì)(大約2,000行網(wǎng)表)的翻譯大約需要一秒鐘。翻譯完成后，可以在任何設(shè)計(jì)中使用兩個(gè)組件：一個(gè)用于流程，另一個(gè)用于實(shí)際設(shè)計(jì)。

　　還要生成一個(gè)日志文件，為設(shè)計(jì)人員和設(shè)計(jì)支持團(tuán)隊(duì)提供有關(guān)已翻譯的單元格，使用的庫以及測(cè)試平臺(tái)模擬的更詳細(xì)信息。該轉(zhuǎn)換包括原始設(shè)計(jì)中的微帶線(MLIN)元素，它提供了設(shè)計(jì)中傳輸線中色散和損耗的精確建模。此外，還會(huì)捕獲Cadence側(cè)包含S參數(shù)塊的任何文件的目錄路徑。

　　轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)計(jì)完成后，用戶將兩個(gè)新的PDK加載到Microwave Office軟件中的新項(xiàng)目或現(xiàn)有項(xiàng)目中：翻譯的Cadence代工廠PDK(csoi7rf Global foundries PDK，見圖4左側(cè))和設(shè)計(jì)PDK(RF-Core，見圖4右側(cè))。RF Core文件提供了原理圖元素和設(shè)計(jì)塊。這些PDK將提供模擬所需的三個(gè)簡(jiǎn)單的NI AWR軟件庫元素。

　　圖4：翻譯的Cadence代工廠PDK(左)和設(shè)計(jì)PDK(右)出現(xiàn)在元素樹庫中，可以插入任何NI AWR軟件設(shè)計(jì)中新的庫元素可通過標(biāo)準(zhǔn)“拖放”放置到Microwave Office電路設(shè)計(jì)軟件原理圖中，就像任何其他原理圖元素一樣。如圖5中的原理圖所示，PROCESS塊用于引用代工廠PDK制程，并允許用戶更改process corners。使用DESIGN塊，用戶可以訪問Cadence設(shè)計(jì)中的任何設(shè)計(jì)變量。

　　圖5：在此Microwave Office原理圖中可以看到PROCESS塊(代工廠PDK制程)和Cadence設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)變量的DESIGN塊在圖中右側(cè)，翻譯的組件有大約20個(gè)端口。DESIGN模塊用來控制開關(guān)狀態(tài)的位置(在本例中設(shè)置為6)，以及控制開關(guān)狀態(tài)的兩個(gè)電壓。左上角的PROCESS塊(在圖的左側(cè)突出顯示)為設(shè)計(jì)人員提供了指定process corners的能力，這對(duì)于IC設(shè)計(jì)非常重要。

　　為了驗(yàn)證在Microwave Office中模擬的網(wǎng)表轉(zhuǎn)換與原始Spectre結(jié)果的頻率響應(yīng)，將測(cè)試用例Spectre模擬的S參數(shù)導(dǎo)入Microwave Office進(jìn)行比較。驗(yàn)證設(shè)置實(shí)際上與包含已翻譯網(wǎng)表的原理圖測(cè)試臺(tái)相同。對(duì)于此仿真，子電路包含直接從Cadence導(dǎo)出的touchstone S參數(shù)塊。

　　比較小信號(hào)結(jié)果

　　圖6所示為NI AWR軟件模擬的小信號(hào)結(jié)果與Spectre結(jié)果的比較情況，這由整個(gè)頻帶上的S參數(shù)表示。正如所料，結(jié)果顯示兩個(gè)結(jié)果確切一致。

　　圖6：將NI AWR軟件模擬的小信號(hào)結(jié)果與Spectre結(jié)果進(jìn)行比較補(bǔ)充分析。

　　現(xiàn)在已經(jīng)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換，可以使用開關(guān)執(zhí)行許多其他仿真，包括掃描process corners，調(diào)整/掃描開關(guān)狀態(tài)，以及調(diào)整/掃描控制電壓。導(dǎo)入的RFIC就像常規(guī)的Microwave Office元素一樣。在圖7的左側(cè)，已將掃描process corners與直接從Cadence獲取的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，顯示出了process corners的影響和模擬器之間的重疊。

　　圖7：現(xiàn)在可以使用開關(guān)運(yùn)行其他模擬，因?yàn)樗男袨轭愃朴诔Ｒ?guī)的Microwave Office元素圖7的右側(cè)顯示了在該示例中針對(duì)不同開關(guān)狀態(tài)(通過路徑)的模擬插入損耗。RFIC通過6種不同的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制，顯示了取決于開關(guān)狀態(tài)的不同響應(yīng)。設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以根據(jù)精確的RFIC模型開發(fā)層壓板設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，通過參數(shù)設(shè)置輕松改變狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)整或掃描。

　　此外，由于開關(guān)設(shè)計(jì)是常規(guī)的Microwave Office子電路，它可以與任何其他Microwave Office元件，EM結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)文件等組合。可以將多種技術(shù)組合到一個(gè)Microwave Office項(xiàng)目中，實(shí)現(xiàn)跨技術(shù)的協(xié)同仿真以及布局集成。單個(gè)疊層模塊可以包含并組合硅開關(guān)、III-V PA RFIC、聲學(xué)濾波器等。最終的集成設(shè)計(jì)布局包括聲學(xué)濾波器、硅器件、GaAs-PA和模塊。

　　分配布局

　　開關(guān)布局也可以以GDSII等標(biāo)準(zhǔn)格式從Virtuoso導(dǎo)出并導(dǎo)入NI AWR軟件，然后可以與原理圖子電路關(guān)聯(lián)或鏈接，以確保正確的布局連接(見圖8)。布局幾何形狀是相同的，顏色根據(jù)偏好而不同。

　　8：開關(guān)布局可以從Cadence Virtuoso導(dǎo)出并導(dǎo)入到NI AWR軟件中，然后可以與原理圖子電路關(guān)聯(lián)或鏈接，以確保正確的布局連接結(jié)論。

　　本文介紹了一種集成設(shè)計(jì)流程，用于將源自不同軟件工具的多種技術(shù)組合到一個(gè)項(xiàng)目中，實(shí)現(xiàn)仿真和布局設(shè)計(jì)工具之間的協(xié)同仿真。該流程不僅可以使設(shè)計(jì)人員集成不同的半導(dǎo)體和封裝(層壓)技術(shù)，還可以利用最初在RFIC設(shè)計(jì)環(huán)境中創(chuàng)建的復(fù)雜設(shè)計(jì)，并將其集成到專門用于MMIC、RF PCB和模塊開發(fā)的設(shè)計(jì)環(huán)境中。最終的集成設(shè)計(jì)布局包括4種不同的技術(shù)：聲學(xué)濾波器，硅器件，GaAs PA和模塊。