基于Virtuoso平台的单片射频收发系统电路仿真与版图设计

在当前通信市场的带动下，通信技术飞速向前发展，手持无线通信终端成为其中的热门应用之一。因此，单片集成的射频收发系统正受到越来越广泛的关注。典型的射频收发系统包括低噪声放大器(LNA)、混频器(Mixer)、滤波器、可变增益放大器，以及提供本振所需的频率综合器等单元模块，如图1所示。对于工作在射频环境的电路系统，如2.4G或5G的WLAN应用，系统中要包含射频前端的小信号噪声敏感电路、对基带低频大信号有高线性度要求的模块、发射端大电流的PA模块、锁相环频率综合器中的数字块，以及非线性特性的VCO等各具特点的电路。众多的电路单元及其丰富的特点必然要求在这种系统的设计过程中有一个功能丰富且强大的设计平台。在综合比较后，本文选定了CadenceVirtuoso全定制IC设计工具。

VirtUOSO是Cadence公司推出的用于模拟／数字混合电路仿真和射频电路仿真的专业软件。基于此平台，Cadence公司还开发了面向射频设计的新技术，包括射频提取技术、针对无线芯片设计的两个新设计流程。不仅如此，目前的virtuoso已经整合了来自合作伙伴安捷伦、
coWare、Helic 和Mathworks等公司的技术，射频设计能力大为增强。使用该项新技术，可以减少设计反复，并缩短产品上市时间。其AMS工具可以实现自顶向下、数／模混合的电路设计；Composer工具可以方便地进行电路设计的输入和管理；spectre／SpectreRF仿真器精度高，适合不同特点的电路设计；Layout工具包含了布局、交叉参考、布线、版图验证、参数提取等功能；此外，virtuoso能进行可靠的后仿真和成品率控制。

基于Virtuoso的行为仿真和系统规划射频收发系统的设计最终能否成功，以及模块指标分配是否合理可行，都有赖于具体电路设计之前对系统的行为建模和计算，即所谓的行为仿真。这也是自顶向下设计模式的关键一步。Cadence内置的Verilog-A和VHDL仿真器，以及混合输入模式的仿真方法提供了这种可能性。而且，Cadence软件免费提供了大量的行为模型供选择使用，对于射频系统设计，所要做的就是调用并设定各个模块预期的指标要求，通过仿真很快就能得到系统的行为特征。根据要求可以方便地修改各个模块的指标重新仿真，直到系统的行为满足要求为止。以接收机为例，接收系统如图2所示。每个模块的指标设定非常具体，如输入输出阻抗、增益、隔离度、噪声系数NF、线性度IP3、直流偏移IP2等。仿真完成后，每个模块的指标分配任务也同时完成。

每个模块用具体电路实现后可以逐一取代相应的设计模块，进行系统仿真，可以看出每个模块是否满足系统的需要，进而评估每个实际模块对系统性能的影响。

基于Virtuoso Spectre／SpectreRF的电路模块仿真设计

基于上述的行为仿真结果和指标分配结果，可以划分系统模块设计任务，对每个单元块分别进行设计仿真。

LNA

LNA是射频接收机最前端的一个有源部件，它决定了系统的噪声性能。对它的要求主要是具有尽量低的NF和足够的功率增益、好的输入匹配，其次是高线性度和隔离度。其电路如图3所示。利用Spectre的SP分析或Spectre RF的PSS+Pnoise分析都可以进行NF分析。还可以利用NFmin的结果来挑选晶体管的尺寸，以使最优源阻抗满足最小的噪声要求。

Mixer

混频器是收发机的核心，由于完成的是变频工作，其主要仿真方法需采用SpectreRF仿真器。混频器的增益、NF等与输入输出有关，但输人和输出工作在不同的频段上，往往要在PSS分析的基础上进行其它分析才能得到正确结果，如PSP、Pnoise、PAC等。混频器的结构是典型双平衡吉尔伯特。

VGA

基带VGA由于频率低、增益大，因此对噪声要求不高，主要是对线性度、增益等指标有较高的要求，SpectreRF的PSS扫描可以方便地对模块的输入进行扫描并自动对扫描曲线作延长，直接标示出线性度P1dB和IIP3的交点位置及数值大小，非常方便直观。这种方法与传统的two tone测试相比更加灵活高效。VGA在不同增益状态下的IIP3指标的仿真只需把控制写成变量，在ADE环境中进行扫描变量的值即可完成。所得的结果可以方便地进行比较分析。通过调整可以获得理想的VGA电路。甚至可以把ADE下的各种设置保存成ocean的脚本文件，利用脚本的自动运行，只要事先安排好各种仿真任务，cadence就能自动完成各项仿真并保存数据结果。对数据进行比较分析后能获悉电路的性能，以此为指导逐步改进，便可获得一个满足系统需要的电路模块。

PLL模块

PLL各模块的仿真是一个比较有挑战性的任务，PLL本身是一个数字／模拟混合的模块，但是一般都用模拟的方式设计各个模块。PLL的仿真包含了上百项指标的测试工作，这些仿真要用到几乎所有Spectre和SpectreRF的仿真工具。以其中VCO和CP的仿真为例，VCO非线性的工作特点决定了它的噪声计算不能以小信号的方式进行，采用PSS+Pnoise的方式则可以准确地仿真VCO的相位噪声性能。通过扫描可以得到VCO的频率调谐增益Kvco。

电荷泵输出电流特性是衡量CP性能的常用曲线，CP决定了PLL环路的增益和带内噪声性能。通过扫描也可以容易地得到CP在不同状态下电流源的恒流和匹配特性。

以上所述是射频接收机几个典型单元模块的电路设计仿真过程。系统各个单元块的仿真是可以同时展开的，完成的模块可以随时代入行为系统来验证设计结果。经过若干次反复修改与验证，最终可以得到符合要求的接收系统。