فرآیند طراحی یکپارچه سازی ماژول فرانت اند RF بر اساس نرم افزارهای Virtuoso و NI AWR

　　استانداردهای ارتباطی در حال تحول مانند LTE-A و 5G نوآوری در معماری های RF را به پیش می برند و چالش هایی برای طراحی ماژول های جلویی RF از نظر کوچک سازی، عملکرد و پشتیبانی فنی برای بهبود توان داده از طریق افزایش بهره وری طیف ایجاد می کنند.

　　برای پاسخگویی به نیازهای عملکرد بالاتر و اندازه قطعات کوچکتر در گوشی های چندحالته و چندفرکانسی، صنعت استراتژی های یکپارچه سازی ماژول را از بلوک های مشابه در یک بسته به رابط های چندمنظوره مبتنی بر فناوری تغییر می دهد. این توسعه ها هر بازه فرکانسی را هدف قرار می دهند و بر اساس یک محصول ماژول RF کاملا یکپارچه هستند، از جمله تقویت کننده های توان چندحالته/چندفرکانسی (PA)، دوپلکسرها و سوئیچ های RF.

　　معمولا طراحان ماژول و زیرسیستم از تکنیک های متنوعی در طراحی های خود استفاده می کنند. این فناوری ها شامل آرسنید گالیوم (GaAs) و مدارهای مجتمع مایکروویو یکپارچه (MMIC)، RFICهای سیلیکونی و لمینت های چندلایه هستند. هر فناوری در یک کیت طراحی فرآیند خاص (PDK) کپسوله شده است که ویژگی های الکتریکی و فیزیکی فرآیند تولید و بلوک های ساختمانی جلویی (کتابخانه های قطعات) را مشخص می کند.

　　پشتیبانی از چندین PDK و هم شبیه سازی مدار/الکترومغناطیسی (EM) با جریان کاری طراحی چندفناوری برای تحلیل تعاملات الکتریکی بین فیلترهای موج صوتی حجمی (BAW) و موج صوتی سطحی (SAW) (بر اساس مدل های مدار معادل) و بسته بندی لمینیشن چندلایه پشتیبانی می کند. این نرم افزار تحلیل و بهینه سازی جامع ماژول ها را ارائه می دهد. با این حال، هنگام توسعه سوئیچ های RFIC سیلیکونی، تقویت کننده های کم نویز (LNA) و PAها، وضعیت متفاوت است و نیازمند ابزارهای توسعه هدفمندتری است.

　　این مقاله یک جریان کاری طراحی مدرن را معرفی می کند که PDK را به فرآیندی تبدیل می کند که می تواند در پلتفرم طراحی NI AWR شبیه سازی شود تا از هم طراحی بسته بندی تراشه و تأیید EM پشتیبانی کند. با وارد کردن طرح ها به کتابخانه های پویا که می توانند با PDKها استفاده شوند، طراحان می توانند به طور مؤثر محصولاتی مبتنی بر فناوری های مختلف را با استفاده از طراحی های پیچیده ای که در ابتدا در محیط های کاملا متفاوت ایجاد شده اند، توسعه دهند.

　　ابزارهای EDA که برای نیازهای خاص طراحی شده اند

　　طراحان از ابزارهای مختلف RF EDA بر اساس ترجیحات شخصی و قابلیت های ابزارهای خاص برای انجام وظایف طراحی فردی یا گروهی استفاده می کنند. برخی ابزارها بر روی MMICهای فرکانس بالا، بردهای مدار چاپی و طراحی ماژول ها تمرکز دارند، مانند نرم افزارهای طراحی مدار Microwave Office. سایر فروشندگان مانند Cadence هدف خود را بر طراحی RFIC و ماژول های مبتنی بر سیلیکون قرار داده اند. از آنجا که هر یک از این ابزارها مزایای خاص خود را دارند، بهتر است جریان های طراحی را اتخاذ کنیم که از قابلیت همکاری و تبادل اطلاعات پشتیبانی می کنند تا طراحان بتوانند بهترین ابزارها را برای هر وظیفه طراحی انتخاب کنند.

　　برای پشتیبانی از تبادل داده بین محیط های مختلف، چندین فرمت فایل استاندارد صنعتی توسعه یافته اند، مانند فایل های سنگ سنجش (SNP) و فرمت تبادل داده اندازه گیری (MDIF). فایل تاچ استون پارامترهای S را فراهم می کند که پاسخ های فرکانسی آنالوگ یا اندازه گیری شده با سیگنال کوچک شبکه ها هستند. فایل های MDIF امکان مرتب سازی داده هایی مانند پارامترهای S یا نویز را با استفاده از تعداد نامحدودی متغیر مستقل (مانند فرکانس یا ولتاژ گیت) فراهم می کنند. این فرمت ها به طراحان اجازه می دهند پاسخ های خطی دستگاه ها (مانند RFICها یا سوئیچ ها) را در شبیه سازی های خود مدل سازی کنند و مدل را به راحتی بین ابزارهای طراحی منتقل کنند.

　　مدل چندهارمونیک (که گاهی پارامترهای Keysight X نیز نامیده می شود) مشابه پارامترهای S است و توانایی شبیه سازی رفتار غیرخطی در شرایط عملیاتی با سیگنال بزرگ را افزایش می دهد. فرمت های داده ای دیگر که بین ابزارهای طراحی مختلف استفاده می شوند شامل نت لیست های Spice برای بلوک های مدار، Exchange File Format (IFF) برای اطلاعات شماتیک و فرمت های چیدمان مانند GDSII و DXF هستند.

　　این فرمت های استاندارد را می توان به طور کامل استفاده کرد، اما هرکدام محدودیت های خاص خود را دارند. برای مثال، پارامترهای S برای شبیه سازی خطی استفاده می شوند و برای شبیه سازی غیرخطی مناسب نیستند. برخی شبیه سازهای RF فقط می توانند از فایل های MDIF دو پورتی استفاده کنند. مدل های چندهارمونیک با سیگنال بزرگ ممکن است زمان زیادی برای تولید و شبیه سازی نیاز داشته باشند و فایل ها اغلب بزرگ و دشوار برای اشتراک گذاری هستند. برای پارامتر X، فایل می تواند گیگابایت باشد.

　　چالش هایی که طراحان ماژول و زیرسیستم با آن مواجه اند

　　برای ماژول های RF که چندین فناوری توسعه یافته با ابزارهای مختلف را ادغام می کنند، پیچیدگی کل وظیفه طراحی اغلب باعث می شود تقاضا برای سازگاری بیشتر بین ابزارها فراتر از سازگاری ساده فرمت داده ها باشد. ماژول های جلویی و سایر دستگاه های چندفناوری می توانند تا ۲۵ مدار مجتمع را روی یک ماژول لمیناسیون واحد در خود جای دهند، از جمله فیلترهای BAW و SAW، PAهای III-V RF MMIC، همچنین سوئیچ های سیلیکونی و LNAهای سیلیکونی با چندین آنتن. در مثال طراحی ارائه شده، سوئیچ های سیلیکونی و LNAها با استفاده از ابزارهای Cadence طراحی شده اند، در حالی که فیلترهای آکوستیک/لمینیشن با نرم افزار Microwave Office تکمیل می شوند. شکل ۱ یک طراحی معمولی ماژول چند تراشه ای را نشان می دهد.

　　نمودار جریان طراحی یکپارچه سازی ماژول جلویی RF 1 بر اساس نرم افزارهای Virtuoso و NI AWR 1: طراحی معمول ماژول در محیط نرم افزاری Microwave Office برای طراحان سوئیچ بسیار زمان بر است تا تمام فایل های مورد نیاز برای حالت های سوئیچینگ مورد نیاز را ایجاد کنند. این فرایند می تواند مستعد خطا باشد زیرا باید از بیش از ۲۵۰ ایالت تحت پوشش RFIC پشتیبانی کند. برای فایل های سنگ نشانی، فقط رفتار خطی ثبت می شود. برای سوئیچ ها و حتی فیلترهای صوتی، رفتار غیرخطی حیاتی باید توسط فایل های چندهارمونیک بزرگ تر ثبت شود. با تحلیل RFIC و تولید فایل پارامترهای S، هر حالت ۷ دقیقه طول می کشد، در حالی که یک عملیات سوئیچ ۶۸ حالت و دیگری ۲۵ حالت دارد که نیازمند سرمایه گذاری زمان قابل توجهی است. معمولا یک عملیات می تواند چندین ساعت یا حتی چند روز طول بکشد.

　　نرم افزارهای Cadence Virtuoso و NI AWR به صورت همزمان جریان های کاری را شبیه سازی می کنند

　　راه حل معرفی شده در این مقاله از ویژگی های جدیدی بهره می برد که طراحی های Cadence را مستقیما در نرم افزار Microwave Office پشتیبانی می کند. شکل ۲ این فرآیند را نشان می دهد. در اینجا، فرآیند طراحی تبدیل جدول شبکه Spectre مبتنی بر Microwave Office امکان شبیه سازی همکاری بین نرم افزارهای Virtuoso و NI AWR را فراهم می کند.

　　شکل ۲: فرآیند تبدیل Cadence Spectre برای شبیه سازی مشارکتی در پلتفرم طراحی NI AWR طراحان از PDKهای فرآیند سیلیکونی استفاده کرده و آن ها را از طریق netlist طراحی Spectre به نرم افزار Microwave Office منتقل می کنند تا طراحان بتوانند به تمام ابزارهای محیط طراحی NI AWR برای دستیابی به این فرآیند دسترسی داشته باشند. این ابزارها شامل نرم افزار طراحی سیستم شبیه ساز سیستم بصری (VSS)، شبیه سازی خطی و غیرخطی دفتر مایکروویو، تعادل هارمونیک و شبیه سازی گذرا APLAC، ابزار چیدمان NI AWR، همچنین شبیه سازهای EM صفحه ای سه بعدی AXIEM و روش المان محدود (FEM) تحلیل گر هستند.

　　شکل ۳ شماتیک ویرتوزی یک سوئیچ سیلیکونی دوقطبی/هشت پرتاب (DP8T) با فیلتر روی تراشه را نشان می دهد. بخش کلیدی آن ماژول سوئیچ آنتن (ASM) است که شش حالت سوئیچینگ مختلف دارد.

　　نت لیست و اجرا

　　از دستور "Netlist and Run" برای ساخت فایل های مورد نیاز برای تبدیل نرم افزار NI AWR استفاده کنید. از آنجا که این فرمان روی پلتفرم تست اجرا می شود، تبدیل در واقع یک زیرمدار است. مهم ترین فایل ایجاد شده input.scs است که شامل تمام اطلاعات شماتیک مرتبط با کادنس می باشد.

　　اجرای اسکریپت «Import Spectre Netlist Design» یک دیالوگ ساده در رابط کاربری باز می کند. طراحی این سوئیچ (حدود ۲۰۰۰ نت لیست) حدود یک ثانیه طول می کشد تا ترجمه شود. پس از ترجمه، دو مؤلفه می توانند در هر طراحی استفاده شوند: یکی برای فرآیند و دیگری برای طراحی واقعی.

　　یک فایل لاگ نیز تولید شد تا به طراحان و تیم های پشتیبانی اطلاعات دقیق تری درباره سلول های ترجمه شده، کتابخانه های استفاده شده و شبیه سازی های پلتفرم تست ارائه دهد. این تبدیل شامل عناصر خط میکرواستریپ (MLIN) از طراحی اصلی است که مدل سازی دقیقی از پراکندگی و اتلاف در خط انتقال در طراحی ارائه می دهد. علاوه بر این، مسیر دایرکتوری هر فایلی در سمت کادنس که شامل بلوک پارامتر S است را ثبت می کند.

　　پس از اتمام طراحی سوئیچ انتقال، کاربران دو PDK جدید را در پروژه های جدید یا موجود در نرم افزار Microwave Office بارگذاری می کنند: PDK ریخته گری کادنس ترجمه شده (csoi7RF Global Foundries PDK، نگاه کنید به سمت چپ شکل ۴) و PDK طراحی شده (هسته RF، نگاه کنید به سمت راست شکل ۴). فایل RF Core عناصر شماتیک و بلوک های طراحی را فراهم می کند. این PDKها سه عنصر ساده کتابخانه نرم افزاری NI AWR را برای شبیه سازی فراهم می کنند.

　　شکل ۴: PDK ریخته گری کادنس ترجمه شده (سمت چپ) و PDK طراحی (سمت راست) در کتابخانه درخت عناصر ظاهر می شوند که امکان درج هر عنصر جدید طراحی نرم افزار NI AWR را در شماتیک نرم افزاری طراحی مدار مایکروویو آفیس از طریق کشیدن و رها کردن استاندارد فراهم می کند، درست مانند هر عنصر شماتیک دیگر. همان طور که در شماتیک شکل ۵ نشان داده شده است، بلوک PROCESS برای ارجاع به فرآیند PDK کارخانه استفاده می شود و به کاربران اجازه می دهد گوشه های فرآیند را تغییر دهند. با استفاده از بلوک DESIGN، کاربران می توانند به هر متغیر طراحی در طراحی کادنس دسترسی داشته باشند.

　　شکل ۵: در این شماتیک Microwave Office، می توانید بلوک PROCESS (فرآیند PDK ریخته گری) و بلوک DESIGN متغیرهای طراحی طراحی شده توسط Cadence را ببینید. در سمت راست نمودار، مؤلفه ترجمه شده حدود ۲۰ پورت دارد. ماژول DESIGN موقعیت حالت کلید (در این حالت روی 6) و دو ولتاژ برای حالت کلید را کنترل می کند. بلوک PROCESS در گوشه بالا سمت چپ (که در سمت چپ نمودار برجسته شده) به طراحان امکان تعیین گوشه های فرآیند را می دهد که برای طراحی IC بسیار مهم است.

　　برای تأیید پاسخ فرکانسی تبدیل شبیه سازی شده جدول شبکه در Microwave Office و نتایج اصلی Spectre، پارامترهای S شبیه سازی شده توسط مورد آزمایشی Spectre به Microwave Office برای مقایسه وارد شدند. تنظیمات تأیید در واقع همان تنظیمات تست شماتیک است که شامل نت لیست های ترجمه شده است. برای این شبیه سازی، زیرمدار شامل بلوک های پارامتر S سنگ سنج است که مستقیما از کادانس مشتق شده اند.

　　مقایسه نتایج سیگنال کوچک

　　شکل ۶ مقایسه ای بین نتایج سیگنال کوچک شبیه سازی شده توسط نرم افزار NI AWR و نتایج اسپکتر را نشان می دهد که توسط پارامترهای S در سراسر باند فرکانسی نمایش داده می شوند. همان طور که انتظار می رفت، نتایج نشان داد که این دو نتیجه کاملا یکسان بودند.

　　شکل ۶: تحلیل تکمیلی مقایسه نتایج سیگنال کوچک شبیه سازی شده توسط نرم افزار NI AWR با نتایج Spectre.

　　انتقال های طراحی اکنون اعتبارسنجی شده اند و بسیاری شبیه سازی های دیگر را می توان با استفاده از کلیدها انجام داد، از جمله گوشه های فرآیند اسکن، تنظیم/وضعیت سوئیچ اسکن و تنظیم / اسکن ولتاژ کنترل. RFIC وارداتی مانند یک المنت معمولی مایکروویو آفیس رفتار می کند. در سمت چپ شکل ۷، گوشه های فرآیند اسکن شده با داده های مرجع به دست آمده مستقیما از Cadence مقایسه می شوند که تأثیر گوشه های فرآیند و همپوشانی بین شبیه ساز را نشان می دهد.

　　شکل ۷: شبیه سازی های دیگر اکنون می توانند با استفاده از سوئیچ ها اجرا شوند، زیرا رفتار آن ها مشابه یک عنصر معمولی Microwave Office است. سمت راست شکل ۷ در این مثال افت شبیه سازی شده درج برای حالت های مختلف سوئیچ (از طریق مسیر) را نشان می دهد. RFIC از طریق شش حالت مختلف سوئیچینگ کنترل می شود که بسته به حالت سوئیچینگ پاسخ های متفاوتی را نشان می دهد. طراحان اکنون می توانند جزئیات طراحی لمینت را بر اساس مدل های دقیق RFIC توسعه دهند، به راحتی وضعیت را از طریق تنظیمات پارامتر تغییر دهند و تنظیمات یا اسکن انجام دهند.

　　علاوه بر این، از آنجا که طراحی سوئیچ یک زیرمدار معمولی مایکروویو آفیس است، می توان آن را با سایر اجزای مایکروویو آفیس، ساختارهای الکترومغناطیسی، فایل های داده و غیره ترکیب کرد. چندین فناوری می توانند در یک پروژه Microwave Office واحد ترکیب شوند و امکان شبیه سازی و یکپارچه سازی چیدمان همکاری چندفناوری را فراهم کنند. یک ماژول پشته شده می تواند شامل و ترکیب سوئیچ های سیلیکونی، داستان های صوتی III-V، فیلترهای صوتی و موارد دیگر باشد. طرح نهایی یکپارچه طراحی شامل فیلترهای صوتی، دستگاه های سیلیکونی، GaAs-PA و ماژول ها است.

　　چیدمان توزیع

　　چیدمان های سوئیچ همچنین می توانند از Virtuoso در قالب های استاندارد مانند GDSII صادر شده و به نرم افزار NI AWR وارد شوند، سپس به زیرمدارهای شماتیک لینک یا لینک شوند تا اتصالات صحیح چیدمان تضمین شود (نگاه کنید به شکل ۸). چیدمان هندسی همان است، اما رنگ ها بسته به سلیقه متفاوت هستند.

　　۸: چیدمان های سوئیچ می توانند از Cadence Virtuoso صادر شده و به نرم افزار NI AWR وارد شوند، سپس با زیرمدارهای شماتیک لینک یا پیوند داده شوند تا نتیجه گیری صحیح اتصال چیدمان تضمین شود.

　　این مقاله فرآیند طراحی یکپارچه ای را معرفی می کند که چندین فناوری مشتق شده از ابزارهای نرم افزاری مختلف را در یک پروژه واحد ترکیب می کند و امکان شبیه سازی همکاری بین ابزارهای شبیه سازی و طراحی چیدمان را فراهم می سازد. این فرآیند نه تنها به طراحان امکان می دهد فناوری های مختلف نیمه هادی و بسته بندی (لمینه) را ادغام کنند، بلکه از طراحی های پیچیده ای که در محیط طراحی RFIC ایجاد شده اند بهره می برد و آن ها را در محیط های طراحی خاص برای توسعه MMIC، RF PCB و ماژول ها ادغام می کند. طرح نهایی طراحی یکپارچه شامل چهار فناوری مختلف است: فیلترهای صوتی، دستگاه های سیلیکونی، PAهای GaAs و ماژول ها.