用于大型RFIC设计的模拟工具

用于大型RFIC设计的模拟工具

    随着RFIC日趋复杂，对设计工具的要求也越来越高，除了要有更高的集成度外，还必须易于适应最新的模拟软件与概念。本文针对大型RFIC设计介绍目前先进的模拟算法，可为中国工程师设计同类集成电路时提供一些参考思路。
    
     设计工程师们希望将整个收发器集成到一个芯片上，但系统内不同部分之间尤其是RF端各种复杂的相互作用给这种需求提出了巨大的技术挑战。为克服这些难题，RF设计人员不仅要具备通信和信号理论方面的专业知识，还要在关键参数如噪声、功率、增益及线性度之间做出正确的选择。因此设计人员必须配备功能强大的集成EDA软件，这种软件除了可以模拟RFIC各部分功能外，还要针对无线标准精确地模拟整个芯片性能以进行验证，而且软件必须能够处理最先进带有复杂RF调制信号的非线性电路技术，同时解决RF电路尺寸不断增加带来的新问题。无线通信RFIC的性能参数必须在不同层次上进行模拟，包括系统级(临近信道功率比或简称ACPR)、子系统级(无寄生动态范围或简称SFDR)和元件级(相噪声)，有时候还要在多个层次上进行(在功率放大器及整个RF发射器上都做ACPR)。对于这些要求，现在还没有一个模拟器能够提供所有性能参数测量，另外模拟/RF和系统基带部分的系统级、子系统级和元件级模拟也不能孤立开来。目前对整个系统进行模拟的技术有很多，包括直流模拟到谐波平衡模拟等多种类型。
    
     ◆直流模拟
    
     计算电路的直流工作点是其它模拟如交流、瞬态和谐波平衡等的先决条件。进行直流模拟时，交流源被忽略掉，电容用开路代替，电感用短路代替，非线性器件用它们的Spice模型来代表，然后模拟器在每个节点采用牛顿-拉夫森算法解基尔霍夫电流定律(KCL)方程。
    
     ◆交流与S参数模拟
    
     交流和小信号S参数模拟首先建立直流工作点，然后假设交流源不影响直流工作点，将非线性器件在直流工作点上线性化，线性器件用小信号频域Y或S参数表示，这样分析时可使用准确的分布式元件频域模型。将每个器件都用直流模型表示后，在电路外部端口就可以计算出整个电路的Y或S矩阵。
    
     ◆瞬态时域模拟
    
     瞬态模拟适用于大型基带电路、瞬态启动及振荡器，这时已经对电路进行了直流偏压分析，非线性器件用Spice模型表示，线性器件用分块等效电路表示，频域分布模型则用Y或S参数或者有理多项式代替。然后用有限差分法计算每个电路的节点电流，将微分方程系统转换成代数矩阵方程系统，采用迭代法用牛顿-拉夫森算法求解，使基尔霍夫电流定律在每个电流节点都成立。
    
    

瞬态时域模拟通常在元件级和芯片级上进行，RFIC最后验证包括整个IC晶体管级瞬态模拟。与瞬态时域模拟相关的计算时间和内存限制需要用到一些其它模拟技术，我们会在后面进一步讨论。
    
     ◆卷积模拟器
    
     它是瞬态模拟器的延伸，允许将频域模型如微波传输带和传输线放到时域模拟器中进行模拟，它还考虑了高频影响如趋肤效应和散射效应等。卷积步骤如下：在分布模型上进行有限输入响应(FIR)卷积模拟时，将其频域S或Y参数转换成脉冲响应，再用脉冲响应对输入波形进行卷积。对于可用拉普拉斯或有理多项式准确描述的频域模型则采用回归卷积，这要比FIR卷积快，而且数值更稳定。
    
     谐波平衡
    
     不论是S参数技术还是瞬态时域技术都不适用于多频激励非线性电路的稳态求解，S参数技术是一种线性模拟技术，瞬态技术又不能用于频段挨得很近的多频激励。解决办法是采用频域非线性模拟器，即谐波平衡(HB)模拟器。
    
     RFIC通常有频率上升和下降转换，HB是对带有多个接近频率的独立信号系统进行分析的理想工具。因为HB是一种频域技术，所以多个线性分布模型可以同时准确建模。
    
     HB另一个独特的性能是非线性噪声分析。Spice线性噪声分析不能预知带混频效应的电路噪声性能，也确定不了对不同幅值输入信号如增益压缩的非线性响应，HB能准确模拟混频器和振荡器的非线性噪声，包括大信号效应。
    
     此外，HB在带有互调失真(IMD)和频率转换的元件和系统分析中最为有用，如用在频段很接近的混频器IMD、功率放大器、上拉负载、倍频器、振荡器稳态响应和系统模拟之中。
    
     谐波平衡方法首先进行直流模拟，得到直流工作点，周期性激励信号用傅立叶级数表示，每个独立频段的谐波数是有限的。开始时，对每个电流节点的电压频谱做一个估计，通过反向FFT将电压频谱转换成时域电压波形，再用Spice模型和电压波形计算出非线性器件的时域电流波形，然后在每个端点用FFT将时域电流转换成电流频谱，线性器件节点的电流频谱则用每个节点的S或Y参数和电压频谱计算。这样在每个节点处得到第一次迭代后的电流频谱结果，然后对每个节点最初估计的电压频谱进行调节以满足基尔霍夫电流定律。将这种牛顿-拉夫森迭代运算持续运行下去，直到两次连续迭代结果之间的差异低于预定阈值为止。
    
     Krylov子空间法
    
     对于采用牛顿-拉夫森算法的HB模拟器，每次迭代都要对非线性系统方程的雅各比矩阵求逆。当矩阵用直接方法进行分解时，对内存的要求上升为O(H2)，这里的H是谐波数量。
    
     就雅各比线性系统方程而言，另一种解法是用Krylov子空间迭代法，如广义极小残差法(GMRES)。这种方法要求存储器在谐波平衡中与O(H)成正比，而不是与O(H2)成正比，这样采用Krylov方法解大型谐波平衡问题可节省存储器空间，相应地提高了计算速度，速度提高后就可采用HB对整个芯片进行多音频激励模拟。
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     CCT包络模拟
    
     与传统通信设计运用正弦调制不同，现代无线通信采用复杂数字RF调制，以便更有效地使用频谱，其中包括π/4差分正交相移键控(DQPSK)和QAM，与宽带CDMA(W-CDMA)、Edge和GSM标准中使用的一样。这些调制方案带来了新的RF规范，如ACPR、误差向量幅度(EVM)和NPR。另外，锁相环(PLL)和自动增益控制(AGC)等部件也要分别满足为频率和功率水平设定的严格时序规范。
    
     电路包络(CE)是专为瞬态和复杂调制RF信号而开发的模拟技术，与Spice不同，它对信号的基带调制包络取样，而不是对RF载波取样。对每个包络时间取样时，同时在频域计算RF载波，输出是一个随时间变化的频谱。
    
     CE在有调制和瞬态高频信号时能有效地对放大器、混频器、振荡器和反馈回路进行分析，可快速准确地分析现代通信电路和子系统中出现的复杂信号。这种模拟技术将时域和频域技术的优点结合在一起，克服了谐波平衡和Spice模拟在类似场合下的局限。
    
     端对端模拟
    
     从结构层面上看，设计人员对整个系统的性能更感兴趣，包括每一比特的进出。对测量的兴趣则集中在位错率(BER)、EVM等，这些参数与系统基带部分性能紧密相关。
    
     DSP设计与模拟/RF电路设计合在一起的模拟，对无线调制解调器中集成的元件、器件和子系统的应用非常关键。实际的模拟/RF问题与DSP算法之间相互影响的验证过程也很重要，利用它可在性能和电路复杂性之间做出权衡。
    
     现代设计使用混合模拟/RF和专用片上基带模块，两者之间的结合要求有很高集成度，同时需要对基带和RF电路进行协同模拟。支持模拟引擎、信号与模型、基带、RF和模拟技术的混合设计环境可对自顶向下系统规范和自底向上的测试及验证提供很大帮助。定时异步数据流信号处理模拟器在基带模拟和RF电路模拟器之间起到桥梁的作用，可实现端对端通讯系统规范的模拟。
    
     近来很多技术进步使模拟的效率和能力大为提高，时域和频域模拟器现在可以解决大型非线性RF电路。为求解节点KCL方程式，通常要建立一组方程式和相关雅各比矩阵。对于有很多节点和谐波的电路，这个矩阵会变得很大而且很复杂，这时Krylov子空间法就能起很大的作用；但如果电路的非线性度很高，矩阵中又有很多复杂的空闲对角项，此时即使是Krylov子空间法也难以解决。这时需要一种实用的预处理器对矩阵进行简化及近似计算，使Krylov子空间法能得到最后的结果。
    
     除了标准的Krylov直流预处理器(DCP)外，现在又开发出两种新的预处理器，分别是模块选择预处理器(BSP)和Schur补充预处理器(SCP)。DCP对大多数电路都没问题，但对非线性度高的电路无效；BSP在DCP的基础上增加了很多非线性模块，确保非线性度高电路的收敛。BSP运用模块选择，将雅各比矩阵分成一组线性和一组非线性模块，其中非线性模块对应电路中非线性最严重的部分。采用BSP可以节省额外的内存成本。
    
     SCP用于那些极端非线性电路(见图1)。DCP在整个电路中都采用直流近似，而SCP只用到部分近似值，将极端非线性部分排除在外。应用SCP时需要一系列复杂的步骤，包括每次外部Krylov回路迭代时使用内部Krylov法。因此SCP通常会占用更多内存，而SCP附加专用Krylov法可减少内存使用，并提高速度和效率。
    
     对两种新的预处理器进行比较我们可以看到，BSP技术要比SCP简单，有时比SCP要快。但在电路中有很多非线性部分时(由非线性列选择确定)，BSP会耗用很多内存，使系统效率降低，这时SCP就大有作为了。
    
     谐波平衡问题的数量多少取决于方程式的数量(与器件和节点的数量有关)及频率谐波的数量，对于只有一种音频的电路，问题数等于每种频率方程式的总数再乘以[(2×谐波数)-1]。
    
     为了证明新的预处理器是合适的，我们在一个有133个器件(包括48个非线性器件)的双极型分频器上进行测试。将频率(谐波)数从8个增加到512个，以增加HB Krylov要解决问题的数量。默认的DCP不能解决矩阵问题，采用BSP和SCP后的结果如图2所示。可以看到问题较少时BSP模拟速度快，占用的内存也少；问题增多后，SCP的速度超过了BSP，而占用的内存更少。
    
     瞬态协助谐波平衡(TaHB)是另外一种成功应用的技术，它可为很多非线性度高的电路提供收敛和解决方法，如PLL IC中的触发及振铃电路。瞬态模拟器运行直到达到稳态为止，然后在Krylov HB及其预处理