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在當前通信市場(chǎng)的帶動(dòng)下，通信技術(shù)飛速向前發(fā)展，手持無(wú)線(xiàn)通信終端成為其中的熱門(mén)應用之一。因此，單片集成的射頻收發(fā)系統正受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。典型的射頻收發(fā)系統包括低噪聲放大器(LNA)、混頻器(Mixer)、濾波器、可變增益放大器，以及提供本振所需的頻率綜合器等單元模塊，如圖1所示。對于工作在射頻環(huán)境的電路系統，如2.4G或5G的WLAN應用，系統中要包含射頻前端的小信號噪聲敏感電路、對基帶低頻大信號有高線(xiàn)性度要求的模塊、發(fā)射端大電流的PA模塊、鎖相環(huán)頻率綜合器中的數字塊，以及非線(xiàn)性特性的VCO等各具特點(diǎn)的電路。眾多的電路單元及其豐富的特點(diǎn)必然要求在這種系統的設計過(guò)程中有一個(gè)功能豐富且強大的設計平臺。在綜合比較后，本文選定了CadenceVirtuoso全定制IC設計工具。 VirtUOSO是Cadence公司推出的用于模擬／數字混合電路仿真和射頻電路仿真的專(zhuān)業(yè)軟件�；诖似脚_，Cadence公司還開(kāi)發(fā)了面向射頻設計的新技術(shù)，包括射頻提取技術(shù)、針對無(wú)線(xiàn)芯片設計的兩個(gè)新設計流程。不僅如此，目前的virtuoso已經(jīng)整合了來(lái)自合作伙伴安捷倫、 coWare、Helic 和Mathworks等公司的技術(shù)，射頻設計能力大為增強。使用該項新技術(shù)，可以減少設計反復，并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。其AMS工具可以實(shí)現自頂向下、數／�；旌系碾娐吩O計；Composer工具可以方便地進(jìn)行電路設計的輸入和管理；spectre／SpectreRF仿真器精度高，適合不同特點(diǎn)的電路設計；Layout工具包含了布局、交叉參考、布線(xiàn)、版圖驗證、參數提取等功能；此外，virtuoso能進(jìn)行可靠的后仿真和成品率控制。 基于Virtuoso的行為仿真和系統規劃射頻收發(fā)系統的設計最終能否成功，以及模塊指標分配是否合理可行，都有賴(lài)于具體電路設計之前對系統的行為建模和計算，即所謂的行為仿真。這也是自頂向下設計模式的關(guān)鍵一步。Cadence內置的Verilog-A和VHDL仿真器，以及混合輸入模式的仿真方法提供了這種可能性。而且，Cadence軟件免費提供了大量的行為模型供選擇使用，對于射頻系統設計，所要做的就是調用并設定各個(gè)模塊預期的指標要求，通過(guò)仿真很快就能得到系統的行為特征。根據要求可以方便地修改各個(gè)模塊的指標重新仿真，直到系統的行為滿(mǎn)足要求為止。以接收機為例，接收系統如圖2所示。每個(gè)模塊的指標設定非常具體，如輸入輸出阻抗、增益、隔離度、噪聲系數NF、線(xiàn)性度IP3、直流偏移IP2等。仿真完成后，每個(gè)模塊的指標分配任務(wù)也同時(shí)完成。 每個(gè)模塊用具體電路實(shí)現后可以逐一取代相應的設計模塊，進(jìn)行系統仿真，可以看出每個(gè)模塊是否滿(mǎn)足系統的需要，進(jìn)而評估每個(gè)實(shí)際模塊對系統性能的影響。 基于Virtuoso Spectre／SpectreRF的電路模塊仿真設計 基于上述的行為仿真結果和指標分配結果，可以劃分系統模塊設計任務(wù)，對每個(gè)單元塊分別進(jìn)行設計仿真。 LNA LNA是射頻接收機最前端的一個(gè)有源部件，它決定了系統的噪聲性能。對它的要求主要是具有盡量低的NF和足夠的功率增益、好的輸入匹配，其次是高線(xiàn)性度和隔離度。其電路如圖3所示。利用Spectre的SP分析或Spectre RF的PSS+Pnoise分析都可以進(jìn)行NF分析。還可以利用NFmin的結果來(lái)挑選晶體管的尺寸，以使最優(yōu)源阻抗滿(mǎn)足最小的噪聲要求。 Mixer 混頻器是收發(fā)機的核心，由于完成的是變頻工作，其主要仿真方法需采用SpectreRF仿真器�；祛l器的增益、NF等與輸入輸出有關(guān)，但輸人和輸出工作在不同的頻段上，往往要在PSS分析的基礎上進(jìn)行其它分析才能得到正確結果，如PSP、Pnoise、PAC等�；祛l器的結構是典型雙平衡吉爾伯特。 VGA 基帶VGA由于頻率低、增益大，因此對噪聲要求不高，主要是對線(xiàn)性度、增益等指標有較高的要求，SpectreRF的PSS掃描可以方便地對模塊的輸入進(jìn)行掃描并自動(dòng)對掃描曲線(xiàn)作延長(cháng)，直接標示出線(xiàn)性度P1dB和IIP3的交點(diǎn)位置及數值大小，非常方便直觀(guān)。這種方法與傳統的two tone測試相比更加靈活高效。VGA在不同增益狀態(tài)下的IIP3指標的仿真只需把控制寫(xiě)成變量，在A(yíng)DE環(huán)境中進(jìn)行掃描變量的值即可完成。所得的結果可以方便地進(jìn)行比較分析。通過(guò)調整可以獲得理想的VGA電路。甚至可以把ADE下的各種設置保存成ocean的腳本文件，利用腳本的自動(dòng)運行，只要事先安排好各種仿真任務(wù)，cadence就能自動(dòng)完成各項仿真并保存數據結果。對數據進(jìn)行比較分析后能獲悉電路的性能，以此為指導逐步改進(jìn)，便可獲得一個(gè)滿(mǎn)足系統需要的電路模塊。 PLL模塊 PLL各模塊的仿真是一個(gè)比較有挑戰性的任務(wù)，PLL本身是一個(gè)數字／模擬混合的模塊，但是一般都用模擬的方式設計各個(gè)模塊。PLL的仿真包含了上百項指標的測試工作，這些仿真要用到幾乎所有Spectre和SpectreRF的仿真工具。以其中VCO和CP的仿真為例，VCO非線(xiàn)性的工作特點(diǎn)決定了它的噪聲計算不能以小信號的方式進(jìn)行，采用PSS+Pnoise的方式則可以準確地仿真VCO的相位噪聲性能。通過(guò)掃描可以得到VCO的頻率調諧增益Kvco。 電荷泵輸出電流特性是衡量CP性能的常用曲線(xiàn)，CP決定了PLL環(huán)路的增益和帶內噪聲性能。通過(guò)掃描也可以容易地得到CP在不同狀態(tài)下電流源的恒流和匹配特性。 以上所述是射頻接收機幾個(gè)典型單元模塊的電路設計仿真過(guò)程。系統各個(gè)單元塊的仿真是可以同時(shí)展開(kāi)的，完成的模塊可以隨時(shí)代入行為系統來(lái)驗證設計結果。經(jīng)過(guò)若干次反復修改與驗證，最終可以得到符合要求的接收系統。 溫度分析 要保證最終系統設計的可靠性和成品率，很關(guān)鍵的一步是在各個(gè)單元塊的設計中進(jìn)行溫度、極端情況等分析。這些功能可以在cadenceVirtuoso中通過(guò)設置不同的仿真溫度、通過(guò)仿真模型的Corner設置，以及直接使用其提供的MonteCarlo仿真工具來(lái)進(jìn)行。 射頻收發(fā)系統的整體電路仿真 各個(gè)模塊電路分別設計驗證完成以后，就可以把所有模塊連成系統，并加上PAD、ESD等構成一個(gè)完整的芯片系統，如圖4所示。對這個(gè)系統加上激勵進(jìn)行仿真測試，如圖5所示，可以對整個(gè)系統電路進(jìn)行仿真。如果仿真計算所用的硬件資源足夠大，可以直接對系統進(jìn)行tran、SP、PSS，以及PSP、Pnoise、PAC等分析，獲得整個(gè)芯片的性能。如果資源不足，則可以考慮對系統按功能進(jìn)行分組、分塊仿真。由于分出的塊之間相對獨立，因此整體系統的特性與分塊仿真差別不大。 版圖設計與后仿真 在各模塊的設計指標滿(mǎn)足自身及系統要求的基礎上可以開(kāi)始各個(gè)模塊的版圖設計，如圖6所示。首先利用Layout-XL的元件調入功能可以直接由原理圖調入版圖元件，進(jìn)行各個(gè)模塊的粗略布局，主要是安排與其它模塊的連接端口以及一些重要元件的預布局。然后從系統上將所有模塊的預布局調入進(jìn)行整體布局考慮。利用Virtuoso Layout工具所具有的層次化管理和操作的特性，可以對每個(gè)模塊的安放及其與其它模塊的銜接進(jìn)行系統考慮。 系統布局以后，將邊界條件分配給每個(gè)模塊。在模塊單獨的布局過(guò)程中要遵守其邊界約定。版圖進(jìn)行到一定階段后，即可以調入到系統版圖中來(lái)檢查，隨時(shí)作必要的調整以滿(mǎn)足每個(gè)模塊的具體情況。 具體版圖繪制過(guò)程中可以充分利用Virtuoso版圖工具的強大功能，比如充分發(fā)揮快捷鍵功能可以使版圖設計流暢高效；利用Layout-XL的交叉參考可以隨時(shí)發(fā)現錯誤的連線(xiàn)或因疏忽造成的短路；利用DRD的實(shí)時(shí)規則檢查可以避免絕大多數違反設計規則的布圖。 版圖的規則檢查可以采用Virtuoso的Diva工具，DRC、LVS、Extract等工作都可以在其友好的界面下完成。對于射頻電路版圖元件數規模不大的特點(diǎn)，利用Diva完成絕大部分工作是很合適的。如果想進(jìn)一步提高版圖提取和后仿真的精確度，可以考慮采用Assura工具來(lái)進(jìn)行。 結語(yǔ) 本文詳細討論了基于cadenceVirtuoso設計平臺的單片射頻收發(fā)集成電路的設計過(guò)程。討論了利用VirtUOSO工具完成的自頂向下、從系統到模塊、從前端都后端的整個(gè)設計步驟，直到實(shí)現一個(gè)完整的射頻芯片�？梢钥闯�，Virtuoso平臺工具在IC設計的各個(gè)階段所發(fā)揮的重要作用。 文中所述的單片射頻芯片設計中所采用的Virtuoso工具只是VirtUOS()家族中最常用的幾個(gè)工具，依靠他們的強大功能足以完成復雜的射頻系統設計，是性?xún)r(jià)比較高的一種解決方案。如果再結合Virtuoso的AMS、Ultrasim、VoltageStorm、ElectronStorm等工具，將會(huì )使設計效率更高，設計更精確 |
