Proceso de diseño de integración de módulos frontales RF basado en el software Virtuoso y NI AWR

　　La evolución de los estándares de comunicación como LTE-A y 5G está impulsando la innovación en las arquitecturas RF, planteando desafíos para el diseño de módulos frontales RF en términos de miniaturización, rendimiento y soporte técnico para mejorar el rendimiento de datos mediante una mayor eficiencia del espectro.

　　Para satisfacer la demanda de mayor rendimiento y tamaños de componentes más pequeños en teléfonos multimodo y multifrecuencia, la industria está cambiando las estrategias de integración de módulos de bloques básicos similares en un solo paquete a interfaces multifuncionales basadas en múltiples tecnologías. Estos desarrollos apuntan a cada rango de frecuencias, basándose en un único producto de módulo RF totalmente integrado, incluyendo amplificadores de potencia multimodo/multifrecuencia (PAs), dúplexores y conmutadores RF.

　　Normalmente, los diseñadores de módulos y subsistemas utilizan una variedad de técnicas en sus diseños. Estas tecnologías incluyen circuitos integrados monolíticos de microondas (MMICs) con arseniuro de galio (GaAs) y nitruro de galio (GaN), RFICs de silicio y laminados multicapa. Cada tecnología está encapsulada en un Kit de Diseño de Procesos (PDK) específico, que detalla los atributos eléctricos y físicos del proceso de fabricación y los bloques de construcción del front-end (bibliotecas de componentes).

　　Soporta múltiples PDKs y co-simulación circuito/electromagnética (EM) con un flujo de trabajo de diseño multitecnológico para analizar interacciones eléctricas entre filtros de onda acústica a granel (BAW) y onda acústica superficial (SAW) (basados en modelos de circuitos equivalentes) y empaquetado de laminación multicapa. Proporciona un análisis y optimización integral de módulos. Sin embargo, al desarrollar conmutadores RFIC de silicio, amplificadores de bajo ruido (LNAs) y PAs, la situación es diferente y requiere herramientas de desarrollo más específicas.

　　Este artículo presenta un flujo de trabajo moderno de diseño que convierte PDK en un proceso que puede simularse dentro de la plataforma de diseño NI AWR para soportar el empaquetado de chips, el co-diseño y la verificación EM. Al importar diseños en librerías dinámicas que pueden usarse con PDKs, los diseñadores pueden desarrollar productos de manera eficaz basados en diferentes tecnologías utilizando diseños complejos creados originalmente en entornos completamente distintos.

　　Herramientas EDA diseñadas para necesidades específicas

　　Los diseñadores utilizan diferentes herramientas de RF EDA basadas en preferencias personales y en las capacidades de herramientas específicas para gestionar tareas de diseño individuales o grupales. Algunas herramientas se centran en MMICs de alta frecuencia, PCB y diseño de módulos, como el software de diseño de circuitos de Microwave Office. Otros proveedores, como Cadence, están apuntando a diseños de RFIC y módulos basados en silicio. Dado que cada una de estas herramientas tiene sus propias ventajas, es mejor adoptar flujos de diseño que apoyen la interoperabilidad y el intercambio de información, para que los diseñadores puedan seleccionar las mejores herramientas para cada tarea de diseño.

　　Para facilitar el intercambio de datos entre diferentes entornos, se han desarrollado varios formatos de archivo estándar de la industria, como los archivos touchstone (SNP) y Measurement Data Exchange Format (MDIF). El archivo touchstone proporciona parámetros S, que son respuestas analógicas o de frecuencia medidas de pequeñas señales de las redes. Los archivos MDIF permiten ordenar datos como parámetros S o ruido usando un número ilimitado de variables independientes (como la frecuencia o el voltaje de puerta). Estos formatos permiten a los diseñadores modelar las respuestas lineales de dispositivos (como RFICs o switches) en sus simulaciones y transferir fácilmente el modelo entre herramientas de diseño.

　　El modelo multiarmónico (a veces también llamado parámetros Keysight X) es similar a los parámetros S, aumentando la capacidad de simular comportamientos no lineales bajo condiciones de funcionamiento de gran señal. Otros formatos de datos utilizados entre diferentes herramientas de diseño incluyen netlists Spice para bloques de circuitos, Exchange File Format (IFF) para información esquemática, y formatos de diseño como GDSII y DXF.

　　Estos formatos estándar pueden utilizarse al máximo, pero cada uno tiene sus propias limitaciones. Por ejemplo, los parámetros S se utilizan para simulación lineal y no son adecuados para simulación no lineal. Algunos simuladores RF solo pueden usar archivos MDIF de doble puerto. Los modelos multiarmónicos de gran señal pueden tardar mucho en generarse y simularse, y los archivos suelen ser grandes y difíciles de compartir. Para el parámetro X, el archivo puede ser gigabytes.

　　Desafíos a los que se enfrentan los diseñadores de módulos y subsistemas

　　Para los módulos RF que integran múltiples tecnologías desarrolladas con diversas herramientas, la complejidad de la tarea de diseño global suele implicar que la demanda de mayor interoperabilidad entre herramientas va más allá de la simple compatibilidad con formatos de datos. Los módulos frontales y otros dispositivos multitecnológicos pueden contener hasta 25 circuitos integrados en un solo módulo de laminación, incluyendo filtros BAW y SAW, PAs MMIC RF III-V, así como interruptores de silicio y LNAs de silicio con múltiples antenas. En el ejemplo de diseño presentado aquí, los interruptores de silicio y los LNAs se diseñan usando herramientas Cadence, mientras que los filtros acústicos/laminados se completan en el software Microwave Office. La Figura 1 muestra un diseño típico de módulo multichip.

　　Diagrama de flujo de diseño de integración de módulos RF Front-End Basado en Virtuoso y NI AWR Software 1: El diseño típico de módulos en el entorno de software Microwave Office es muy laborioso para que los diseñadores de switches creen todos los archivos necesarios para los estados de conmutación requeridos. Este proceso puede ser propenso a errores porque debe soportar más de 250 estados cubiertos por el RFIC. Para archivos de touchstone, solo se captura el comportamiento lineal. Para interruptores e incluso filtros acústicos, el comportamiento no lineal crítico debe ser capturado por archivos multiarmónicos de mayor tamaño. Con análisis RFIC y generación de archivos por parámetros S, cada estado tarda 7 minutos, mientras que una operación de conmutación tiene 68 estados y otra 25 estados, lo que requiere una inversión significativa de tiempo. Normalmente, una sola operación puede durar varias horas o incluso días.

　　Cadence Virtuoso y el software NI AWR simulan flujos de trabajo

　　La solución presentada en este artículo aprovecha nuevas funciones que soportan los diseños de Cadence directamente dentro del software Microwave Office. La Figura 2 muestra este proceso. Aquí, el proceso de conversión de net-table basado en Microwave Office Spectre permite la simulación colaborativa entre Virtuoso y el software NI AWR.

　　Figura 2: Proceso de conversión Cadence Spectre para simulación colaborativa en la plataforma de diseño NI AWR Los diseñadores utilizan PDKs de proceso de silicio y los transfieren mediante netlist de diseño Spectre al software Microwave Office, permitiendo a los diseñadores acceder a todas las herramientas del entorno de diseño NI AWR para lograr este proceso. Estas herramientas incluyen el software de diseño de sistemas Visual System Simulator (VSS), la simulación lineal y no lineal Microwave Office, el balanceo armónico APLAC y la simulación de transitorios, la herramienta de disposición NI AWR, así como simuladores EM 3D plane y Analyst 3D de elementos finitos (FEM).

　　La Figura 3 muestra el esquema Virtuoso de un interruptor de silicio bipolar/de ocho lanzamientos (DP8T) con filtro integrado. Su componente clave es el Módulo de Conmutación de Antena (ASM), que tiene seis estados de conmutación diferentes.

　　Netlist y run

　　Utiliza el comando "Netlist and Run" para crear los archivos necesarios para la conversión de software NI AWR. Dado que este comando se ejecuta en la plataforma de prueba, la conversión es en realidad un subcircuito. El archivo más crítico creado es input.scs, que contiene toda la información esquemática relevante de Cadence.

　　Ejecutar el script "Importar Spectre Netlist Design" abrirá un diálogo de interfaz de usuario sencillo. Este diseño de switches (unas 2.000 netlists) tarda aproximadamente un segundo en traducirse. Tras la traducción, se pueden usar dos componentes en cualquier diseño: uno para el proceso y otro para el diseño propiamente dicho.

　　También se generó un archivo de registro para proporcionar a diseñadores y equipos de soporte información más detallada sobre celdas traducidas, bibliotecas utilizadas y simulaciones de plataformas de prueba. Esta conversión incluye elementos de línea microstrip (MLIN) del diseño original, proporcionando un modelado preciso de la dispersión y pérdida en la línea de transmisión en el diseño. Además, captura la ruta de directorio de cualquier archivo en el lado de Cadencia que contenga el bloque de parámetros S.

　　Una vez finalizado el diseño del conmutador de transferencia, los usuarios cargan dos nuevos PDK en proyectos nuevos o existentes en el software Microwave Office: el PDK traducido de Cadence foundry (csoi7RF Global Foundries PDK, véase el lado izquierdo de la Figura 4) y el PDK de diseño (RF-Core, véase el lado derecho de la Figura 4). El archivo RF Core proporciona elementos esquemáticos y bloques de diseño. Estos PDK proporcionarán tres sencillos elementos de biblioteca de software NI AWR necesarios para la simulación.

　　Figura 4: El PDK de Cadence Foundry traducido (izquierda) y el PDK de diseño (derecha) aparecen en la biblioteca del árbol de elementos, permitiendo la inserción de cualquier nuevo elemento de diseño de software de software NI AWR en el esquema de software de diseño de circuitos de Microwave Office mediante arrastrar y soltar estándar, igual que cualquier otro elemento esquemático. Como se muestra en el esquema de la Figura 5, el bloque PROCESS se utiliza para referenciar el proceso PDK de la fundición y permite a los usuarios modificar las esquinas del proceso. Usando el bloque DESIGN, los usuarios pueden acceder a cualquier variable de diseño en el diseño de Cadence.

　　Figura 5: En este esquema de Microwave Office, puedes ver el bloque PROCESS (proceso de Foundry PDK) y el bloque DESIGN de las variables de diseño diseñadas por Cadence. En el lado derecho del diagrama, el componente traducido tiene unos 20 puertos. El módulo DESIGN controla la posición del estado del interruptor (en este caso puesto en 6) y controla los dos voltajes del estado del conmutador. El bloque PROCESS en la esquina superior izquierda (resaltado en el lado izquierdo del diagrama) da a los diseñadores la capacidad de especificar esquinas de proceso, lo cual es muy importante para el diseño de circuitos integrados.

　　Para verificar la respuesta en frecuencia de la conversión simulada a tabla neta en Microwave Office y los resultados originales de Spectre, los parámetros S simulados por el Spectre de caso de prueba se importaron a Microwave Office para su comparación. Los ajustes de verificación son en realidad los mismos que para bancos de pruebas esquemáticos que contienen netlists traducidas. Para esta simulación, el subcircuito contiene bloques de parámetros S de piedra de toque derivados directamente de Cadence.

　　Comparar los resultados de señales pequeñas

　　La Figura 6 muestra una comparación entre los resultados de señal pequeña simulados por el software NI AWR y los resultados de Spectre, representados por los parámetros S en toda la banda de frecuencia. Como era de esperar, los resultados mostraron que ambos resultados fueron exactamente consistentes.

　　Figura 6: Análisis complementario comparando los resultados de señal pequeña simulados por el software NI AWR con los resultados de Spectre.

　　Las transiciones de diseño ya han sido validadas, y muchas otras simulaciones pueden realizarse usando interruptores, incluyendo escanear esquinas de proceso, ajustar/escanear el estado del interruptor y ajustar el voltaje de control. El RFIC importado se comporta como un elemento normal de Oficina de Microondas. En el lado izquierdo de la Figura 7, se comparan las esquinas de proceso escaneadas con datos de referencia obtenidos directamente de Cadence, mostrando el impacto de las esquinas de proceso y la superposición entre el simulador.

　　Figura 7: Otras simulaciones pueden ahora ejecutarse usando interruptores, ya que su comportamiento es similar al de un elemento normal de Oficina de Microondas. El lado derecho de la Figura 7 muestra la pérdida simulada de inserción para diferentes estados del conmutador (vía ruta) en este ejemplo. El RFIC se controla a través de seis estados de conmutación diferentes, mostrando distintas respuestas según el estado de conmutación. Los diseñadores pueden ahora desarrollar detalles de diseño de laminados basados en modelos RFIC precisos, cambiar fácilmente estados mediante la configuración de parámetros y realizar ajustes o escaneos.

　　Además, dado que el diseño del interruptor es un subcircuito convencional de Oficina de Microondas, puede combinarse con cualquier otro componente de Oficina de Microondas, estructuras EM, archivos de datos, etc. Múltiples tecnologías pueden combinarse en un único proyecto de Oficina de Microondas, permitiendo simulación colaborativa y integración de layout entre tecnologías. Un único módulo apilado puede incluir y combinar interruptores de silicio, FIC PA III-V, filtros acústicos y más. El diseño integrado final incluye filtros acústicos, dispositivos de silicio, GaAs-PA y módulos.

　　Distribución

　　Los diseños de conmutadores también pueden exportarse desde Virtuoso en formatos estándar como GDSII e importarse al software NI AWR, luego enlazados o enlazados a subcircuitos esquemáticos para asegurar las conexiones correctas de la disposición (véase la Figura 8). La disposición geométrica es la misma, pero los colores varían según la preferencia.

　　8: Los diseños de conmutadores pueden exportarse desde Cadence Virtuoso e importarse al software NI AWR, luego enlazados o enlazados con subcircuitos esquemáticos para asegurar las conclusiones correctas de la conexión del layout.

　　Este artículo presenta un proceso de diseño integrado que combina múltiples tecnologías derivadas de diferentes herramientas de software en un solo proyecto, permitiendo la simulación colaborativa entre las herramientas de simulación y diseño de maquetación. Este proceso no solo permite a los diseñadores integrar diferentes tecnologías de semiconductores y envases (laminación), sino que también aprovecha diseños complejos creados originalmente en el entorno de diseño RFIC e integrarlos en entornos de diseño diseñados específicamente para el desarrollo de MMIC, RF PCB y módulos. El diseño integrado final incluye cuatro tecnologías diferentes: filtros acústicos, dispositivos de silicio, PAs GaAs y módulos.