先进的仿真方法简化UWB RFIC设计流程

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