第7章射频电路设计的CAD技术无线通信射频电路技术与设.ppt

第7章射频电路设计的CAD技术 教学重点 能力要求 本章目录 第一节集成CAD设计平台第二节CAD程序包的特点第三节电路模拟技术第四节电磁模拟技术第五节商用CAD程序包 知识结构 7 1集成的CAD设计平台 现在CAD技术已成为RFIC设计流程的一个完整部分 下图为使用Cadence设计RFIC的设计流程 完整的RFIC设计流程 7 1集成的CAD设计平台 CAD程序包的实质是把集成的设计环境分解为一系列相互关联的程序或子软件包 集成CAD设计环境 1 原理图编辑器子软件对于任意特定的设计 可能有许多按层次组织的原理图 从而原理图可能包含与另一个原理图相链接的途径 这有助于管理复杂的设计 而且允许设计者把通用的子电路存放在元器件库中并把这些子电路以功能模块或者元件的形式用于以后的设计 7 1集成的CAD设计平台 2 模拟引擎子程序包程序包所包含的模拟引擎确切数目及特点随着程序包的不同而不同 一般来说 子程序包有直流 线性 瞬态模拟器 3 输出处理子程序包进行仿真之后 仿真结果必须以设计者能正确解释的格式表示 第三个子程序包是对输出数据做后续处理 绝大多数商用程序包能显示矩形网格 极坐标网格和Smith圆图 各种不同的输出能加载到这些图形当中 4 版图编辑器子程序包在集成设计环境中 版图编辑器允许设计者通过按钮来同步生成电路图的物理版图 通常这个过程以两路方式工作 即当电路图发生变化 电路版图则自动更新 反之亦然 5 电磁场求解程序包当设计者希望包括不符合标准库元件的无源结构的效应及其他可能的寄生效应时 需要有用于模拟任意单层或多层平面结构效应的二维半电磁场求解程序 7 2CAD程序包的特点 1 支持工具为了提高设计效率 现在的CAD程序包提供了大量的综合性工具 需用时只需激活这些工具 支持工具是微波CAD程序包的一个重要附属品 虽然其结果往往是理想化的 但是 在任何设计中 它们是获得初始值的最好途径 2 原理图捕获现在的方法允许设计者在一个设计区域内放置电路符号 并用虚拟的线把它们互连起来 如果所有存在的元件都用适当的符号表示 产生的电路描述模拟了电路原理图 同时元件参数显示在设计区域内相应元件下方的多项文本框中 而且设计者可以设定是否将这些参数显示 3 层次化设计层次化的方法作为一种高效的设计方法 不仅应用于软件编程 也是将复杂电路分解成更多的可管理的元件的一种方式 是广泛应用在CAD设计中的一个有力的概念 设计者通过单独定义子电路 并仅通过参考符号把子电路导入更复杂的电路中 也就发展出了分层设计的方法 7 2CAD程序包的特点 4 模拟控制参数所谓模拟控制参数 也就是赋给CAD程序包并指示它如何进行模拟的参数 对这些参数的规定要么是在顶层电路原理图或者在专门的测试区中 这取决于特定的程序包 控制参数有两类 一类参数是为电路激励设置扫描范围 另一类用于改变模拟器的运行时间设置 5 电路元件库CAD软件包中的电路元件库为设计者提供了大量的各类元件 一般将这些元件分为四大类 通用无源元件 通用有源元件 制造商供应的元件和用户自定义的元件 6 电路优化所谓电路优化设计 是指在电路的性能已经基本满足设计功能和指标的基础上 为了使得电路的某些性能更为理想 在一定的约束条件下 对电路的某些参数进行调整 直到电路的性能达到要求为止 7 2CAD程序包的特点 7 版图版图设计或者称作物理设计是重要的一环 它是把每个原件的电路表示转换成集合表示 同时 元件间连接的线网也被转换成几何连线图形 对于复杂的版图设计 一般把版图设计分成若干个子步骤进行 划分 为了将处理问题的规模缩小 通常把整个电路划分成若干个模块 版图规划和布局 是为了每个模块和整个芯片选择一个好的布图方案 布线 完成模块间的互连 并进一步优化布线结果 压缩 是布线完成后的优化处理过程 以进一步减小芯片的面积 7 3电路模拟技术 在集成CAD软件包中 一般包含许多不同类型的分析研究RFIC电路响应的模拟引擎 电路模拟引擎的全面评述 7 3电路模拟技术 7 3 2线性模拟器 交流仿真之前 必须为电路建立起一个静态偏置点 此时要用到直流模拟器 要做到这一点 模拟器必须将所有电路元件用其直流等效电路代替 此时 所有的电容 耦合线和间隙等效为开路 电感等效为短路 传输线等效为集总电阻 阻值由传输线的长度 横截面积和电导率决定 线性元件由它们在直流偏置下的电导代替 非线性元件由直流偏置下的解析函数代替 7 3 1直流模拟器 当分析一个电路的稳态响应 电路的行为表现不随输入RF信号电平变化而变化时的响应时 需要使用线性电路模拟器 它也可用于分析小信号激励的非线性电路 7 3电路模拟技术 谐波平衡是一种在频域和时域结合求电路稳态响应的方法 首先将信号表示成为傅立叶展开的形式 在节点处的各次谐波分量都列写KCL方程组 把时域中的微分方程转化为频域中的代数方程 然后用牛顿迭代求解傅立叶系数 7 3 3谐波平衡模拟器 谐波平衡中的电路分解 7 3电路模拟技术 7 3 4Volterra级数 Volterra级数分析法的CAD软件包的模拟过程有些类似于谐波平衡法 首先把非线性电路分解为线性和非线性子电路 子电路之间的互联接点处 非线性元件被分解为一个线性项和一系列非线性电流源 这样的分解代表了第Q项Volterra级数展开式 一旦定义了信号源 问题的最终解就能通过用瞬时分析法得到 电流被视为每一阶的激励 Volterra级数分析法中的 Q 3 电路划分 7 3电路模拟技术 7 3 5瞬态分析 瞬态分析与Spice模拟器相似 这类仿真在时域空间用于描述一个电路对任意激励的响应 进行瞬态分析前 需要先对电路进行直流仿真 建立起电路的初始条件 然后 模拟器列出所有未知的瞬态节点电压和支路电流相关的方程组 最后 当选择瞬态分析的时间步长时必须十分谨慎 由于奈奎斯特抽样率强加的限制 时间步长不能大于激励的最高频率的半个周期 如果电路的非线性很强 那么时间步长必须进一步减小以适应任何生成的谐波 7 3 6卷积积分 卷积分析解决了瞬态分析只能用于模拟仅含有集总元件或者不存在频率损耗性的分布式元件的电路的问题 虽然卷积分析法的功能非常强大 但是它有两个显著的局限性 第一 计算量大 第二 所有的冲击响应必须在某个有限的时间间隔内中断 7 3电路模拟技术 7 3 7噪声分析 在商用CAD软件包中 一般用有噪声的二端口元件等效表示有噪声多端口网络 当系统的激励为正弦信号时 每个二端口元件相应地可由其导纳矩阵及最小噪声系数 噪声电阻 最佳输入电导 和最佳输入导纳 四个参数表示 有噪声的二端口的联合等效模型 7 3电路模拟技术 7 3 8包络模拟 包络模拟器使用频域和时域方法去计算一个电路对基带调制的RF输入信号的响应 这避免了纯时域仿真存在的一个主要问题 当电路由一个高频率正弦信号激励时 时间步长变得太小以至于要求过多的时间步数才能达到稳态 使用包络模拟器 时间步长仅需要满足调制信号的奈奎斯特抽样率 7 3 9混合模拟分析 当我们需要仿真既有模拟信号又有数字信号的复杂混合系统时 显然 不可能用逻辑模拟器去仿真模拟元件 或者用瞬态模拟器在晶体管级模拟整个数字子系统 逻辑方法是用瞬态或包络模拟引擎仿真模拟电路部分 用逻辑模拟器仿真数字部分 这种方法称为联合仿真或混合模式仿真 7 3电路模拟技术 7 3 10成品率分析 近年来 射频单片集成电路 RFIC 越来越广泛地应用于电子装备中 在RFIC批量制造过程中 如何保证较高的成品率 已成为降低生产成本 提高生产效益的关键因素之一 目前 集成电路设计中用于进行成品率分析的传统方法主要是蒙特卡罗 MonteCarlo 法 成品率分析过程涉及对规定尝试数量的电路进行仿真 这些电路的参数在各自的名义值附近随机地变化其使用从PCM测量值中抽取的概率分布函数 根据提供的性能规格 模拟器记录每次实验是通过或失败 这种计算方法就是montecarlo分析法 它的特性是它的精确度独立于统计变量数及其概率分布 7 4电磁模拟技术 7 4 1电磁求解程序的要求 在RFIC设计中 有源和无源器件 以及互连线和传输线是必不可少的基本单元 RFIC的集成度越来越高 这推动了RFIC朝多层结构的方向发展 因此在电路的不同部分之间可能会存在复杂的相互作用 同时随着电路工作频率的提高 这些作用对电路性能的影响越来越显著 目前 RFIC的建模和设计在广义上可分为4大类 RFIC建模和设计技术 电磁求解程序适应以下几种情况 1 R C时间常数效应 2 串音效应 3 多导体传输线 4 趋肤效应损耗 5 响铃效应 6 定时误差 7 不连续性效应 7 4电磁模拟技术 1 引线黏合和倒装芯片互连效应 芯片到芯片间的互连 图 b 所示的倒装芯片技术是图 a 的改进 它可以提高与黏合线的低通特性相关的3dB截止频率 而且去掉了串联电感 并大大减小了并联电容 7 4电磁模拟技术 2 设计库的局限性 由于电路元件可能不在设计范围之内 或者复合的混合模型不符合要求 导致使用经验模式工具或设计库不足以令人满意的特征化许多无源电路元件的特性 使用电路模拟元件的简单螺旋电感模型 7 4电磁模拟技术 3 地电流 当连接不同厚度的RFIC芯片或者在不同载体上的RFIC芯片时 可能会改变传输线的特征阻抗 这是由于芯片间可能存在间隙 通常这些间隙可以有效的被模拟为串接到基片地平面的一个电感 从而导致传输线的特征阻抗的改变 在高频时地电流会导致大的的阻抗失配问题 4 RF吸收材料 吸收材料的使用量一定要适中 一方面由于使用太少的吸收材料可能不足以吸收掉谐振场 而过多的吸收材料会增加传输线损耗 导致增益降低 噪声系数增大 并且降低输出功率和效率 RF吸收材料的作用是除去腔体谐振模式 7 4电磁模拟技术 7 4 2EM软件 EM模拟器一般更适宜设计成交互性的 目的是为了允许用户在软件环境中进行实验 就像在车间制造RFIC时使用网络分析仪器做实验 不需要处理实际的硬件 这要求软件包的循环计算速度非常高 一般说来 计算速度主要取决于以下三个因素 1 求解EM问题所选择的数值方法 2 用于实现该数值计算的计算机算法 3 主机的CPU处理速度 电路和EM模拟器的比较 7 4电磁模拟技术 7 4 3EM模拟器的应用和局限性 EM求解程序的数值方法一般依赖网格的形式 它的基本原理是把整个问题分解成很小的单元 从而计算单元网格处的场解 为了求出精确的解 划分的网格部分相对于波长而言必须足够小 当结构过于复杂而要求很长仿真时间的情况下 一般最先进行单个频点仿真 以便检测到场及S参数 这将显示出在开始时是否存在任何错误 以便可以节省时间 在研究复杂网络情况时 直接使用EM模拟器可能速度慢 并且是不确定的过程 7 4 4EM模拟器的类型 EM模拟器的基本类型 7 4电磁模拟技术 7 4 5数值方法 数值分析技术是三维EM模拟器求解麦克斯韦方程组的基本方法 EM仿真方法的比较 7 4电磁模拟技术 7 4 6EM模拟器的特性 市场上流行的各种EM模拟器虽然使用的求解方法不尽相同 具有不同类型的图形用户界面 但是 它们内在的基本原理是相同的 EM模拟器的流程图 EM仿真过程 7 4电磁模拟技术 1 项目建立 在同一个工程设计中 将产生如绘图文件 数值文件 日志文件等许多不同的文件 因此 建立一个专用的项目文件夹用于组织管理和在不同的项目之间导航是非常必要的 这也是应用一个EM模拟器的第一步 2 建立仿真 最普遍的边界有以下四种 1 端口 它是允许能量流进或流出结构区域的边界条件 2 理想的H边界 这代表一个理想的磁场边界 此外磁场被强制垂直于指定边界 3 理想的E边界 这代表一个理想的电场边界 此外电场被强制垂直于指定边界 4 对称平面 如果一个结构具有几何和EM对称性 则存在对称平面 7 4电磁模拟技术 3 问题求解 求解时要求用户首先提出解的类型 指定进行仿真的频率 指定 提炼种子化网孔 建立起仿真误差范围 在相同的菜单下 用户可以启动仿真 观察仿真进程状态 甚至在必要时取消仿真 4 后处理 后处理器主要用于查看各种各样的仿真数据 1 S参数的幅度 相位图和Smith圆图2 E场和H场 通常使用阴影 等值线和箭头式场图 3 电流密度图形曲线 4 传播常数和阻抗 7 4 7优化EM模拟器的性能 为了优化内存消耗量以减少计算时间 推荐以下4个主要策略 1 层次式设计 2 几何图形预处理 3 问题尺寸减小 4 网格精细技术 7 4电磁模拟技术 7 4 8商用EM软件包 市场上的EM模拟软件通常以两种形式出现 全三维EM模拟器和三维平面模拟器 下表列出了每个模拟器的特点 EM模拟器摘要 7 5商用CAD程序包 各软件包中集成模拟器清单如表7 7所示 很多情况下 可根据用户需求配置这些软件包的子模块 商业电路CAD程序