Processus d’intégration de modules front-end RF basé sur les logiciels Virtuoso et NI AWR

　　L’évolution des normes de communication telles que LTE-A et 5G stimulent l’innovation dans les architectures RF, posant des défis à la conception des modules front-end RF en termes de miniaturisation, de performance et de support technique pour améliorer le débit de données grâce à une meilleure efficacité spectre.

　　Pour répondre aux exigences de performances supérieures et de composants plus petits dans les téléphones multimodes et multifréquences, l’industrie modifie les stratégies d’intégration des modules, passant de blocs de construction similaires dans un seul package à des front-ends multifonctionnels basés sur des technologies multiples. Ces développements ciblent chaque plage de fréquences, basés sur un seul produit de module RF entièrement intégré, incluant des amplificateurs de puissance multimode/multifréquence (PA), des duplexeurs et des commutateurs RF.

　　En général, les concepteurs de modules et de sous-systèmes utilisent diverses techniques dans leurs conceptions. Ces technologies incluent les circuits micro-ondes monolithiques (MMIC) à l’arséniure de gallium (GaAs) et au nitrure de gallium (GaN), les RFIC en silicium et les stratifiés multicouches. Chaque technologie est encapsulée dans un kit de conception de procédé (PDK) spécifique, qui détaille les attributs électriques et physiques du procédé de fabrication ainsi que les blocs de construction front-end (bibliothèques de composants).

　　Prend en main plusieurs PDK et la co-simulation circuit/électromagnétique (EM) avec un flux de travail de conception multi-technologie pour analyser les interactions électriques entre les filtres à onde acoustique en vrac (BAW) et à onde acoustique de surface (SAW) (basés sur des modèles de circuits équivalents) et l’emballage multicouche de lamination. Il fournit une analyse complète des modules et une optimisation. Cependant, lors du développement de commutateurs RFIC en silicium, d’amplificateurs à faible bruit (LNA) et de PA, la situation est différente et nécessite des outils de développement plus ciblés.

　　Cet article présente un flux de travail de conception moderne qui convertit PDK en un processus pouvant être simulé dans la plateforme de conception NI AWR pour supporter la co-conception par empaquetage de puces et la vérification EM. En important des designs dans des bibliothèques dynamiques pouvant être utilisées avec les PDK, les designers peuvent développer efficacement des produits basés sur différentes technologies en utilisant des designs complexes créés à l’origine dans des environnements complètement différents.

　　Outils EDA conçus pour des besoins spécifiques

　　Les concepteurs utilisent différents outils EDA RF en fonction des préférences personnelles et des capacités d’outils spécifiques pour gérer des tâches de conception individuelles ou de groupe. Certains outils se concentrent sur les MMIC haute fréquence, les PCB et la conception de modules, comme les logiciels de conception de circuits Microwave Office. D’autres fournisseurs, comme Cadence, ciblent les conceptions RFIC et de modules à base de silicium. Puisque chacun de ces outils présente ses propres avantages, il est préférable d’adopter des flux de conception qui soutiennent l’interopérabilité et l’échange d’informations, afin que les concepteurs puissent choisir les meilleurs outils pour chaque tâche de conception.

　　Pour soutenir l’échange de données entre différents environnements, plusieurs formats de fichiers standards industriels ont été développés, tels que les fichiers touchstone (SNP) et Measurement Data Exchange Format (MDIF). Le fichier touchstone fournit des paramètres S, qui sont des réponses analogiques ou mesurées de petits signaux en fréquence des réseaux. Les fichiers MDIF permettent de trier des données telles que les paramètres S ou le bruit en utilisant un nombre illimité de variables indépendantes (telles que la fréquence ou la tension de grille). Ces formats permettent aux concepteurs de modéliser les réponses linéaires des dispositifs (tels que les RFIC ou les commutateurs) dans leurs simulations et de transférer facilement le modèle entre les outils de conception.

　　Le modèle multiharmonique (parfois aussi appelé paramètres Keysight X) est similaire aux paramètres S, augmentant la capacité de simuler un comportement non linéaire dans des conditions de fonctionnement à grand signal. D’autres formats de données utilisés entre différents outils de conception incluent les netlists Spice pour les blocs de circuits, le format Exchange File Format (IFF) pour les informations schématiques, et les formats de mise en page tels que GDSII et DXF.

　　Ces formats standards peuvent être pleinement utilisés, mais chacun a ses propres limites. Par exemple, les paramètres S sont utilisés pour la simulation linéaire et ne conviennent pas à la simulation non linéaire. Certains simulateurs RF ne peuvent utiliser que des fichiers MDIF à double port. Les modèles multiharmoniques à grand signal peuvent prendre beaucoup de temps à être générés et simulés, et les fichiers sont souvent volumineux et difficiles à partager. Pour le paramètre X, le fichier peut être en gigaoctets.

　　Défis rencontrés par les concepteurs de modules et de sous-systèmes

　　Pour les modules RF qui intègrent plusieurs technologies développées à l’aide de divers outils, la complexité de la tâche globale de conception signifie souvent que la demande d’une plus grande interopérabilité entre les outils dépasse souvent la simple compatibilité des formats de données. Les modules frontaux et autres dispositifs multi-technologies peuvent contenir jusqu’à 25 circuits intégrés sur un seul module de lamination, incluant les filtres BAW et SAW, les PA RMIC RF III-V, ainsi que des commutateurs en silicium et des LNA en silicium avec plusieurs antennes. Dans l’exemple de conception présenté ici, les commutateurs en silicium et les LNA sont conçus à l’aide des outils Cadence, tandis que les filtres acoustiques/laminés sont réalisés dans le logiciel Microwave Office. La figure 1 montre une conception typique de module multi-puces.

　　Diagramme de flux de conception de l’intégration des modules front-end RF 1 basé sur Virtuoso et NI AWR Software 1 : La conception typique de modules dans l’environnement logiciel Microwave Office est très chronophage pour les concepteurs de commutateurs afin de créer tous les fichiers nécessaires aux états de commutation requis. Ce processus peut être sujet aux erreurs car il doit supporter plus de 250 États couverts par le RFIC. Pour les fichiers touchstone, seul le comportement linéaire est capturé. Pour les interrupteurs et même les filtres acoustiques, le comportement critique non linéaire doit être capturé par des fichiers multiharmoniques plus grands. Avec l’analyse RFIC et la génération de fichiers par paramètres S, chaque état prend 7 minutes, tandis qu’une opération de commutation en compte 68 et une autre en compte 25, ce qui nécessite un investissement de temps important. En général, une seule opération peut prendre plusieurs heures, voire plusieurs jours.

　　Cadence Virtuoso et NI AWR Software simulent ensemble les flux de travail

　　La solution présentée dans cet article exploite de nouvelles fonctionnalités qui prennent en charge les conceptions Cadence directement dans le logiciel Microwave Office. La figure 2 montre ce processus. Ici, le processus de conversion net-table Spectre basé sur Microwave Office permet une simulation collaborative entre Virtuoso et les logiciels NI AWR.

　　Figure 2 : Processus de conversion Cadence Spectre pour la simulation collaborative sur la plateforme de conception NI AWR Les concepteurs utilisent des PDK de procédés silicium et les transfèrent via la netlist de conception Spectre vers le logiciel Microwave Office, permettant ainsi aux designers d’accéder à tous les outils de l’environnement de conception NI AWR pour réaliser ce processus. Ces outils incluent le logiciel de conception de systèmes Visual System Simulator (VSS), la simulation linéaire et non linéaire Microwave Office, l’équilibrage harmonique APLAC et la simulation des transitoires, l’outil de disposition NI AWR, ainsi que les simulateurs EM 3D plan et Analyst 3D par éléments finis (FEM).

　　La figure 3 montre le schéma Virtuoso d’un commutateur en silicium bipolaire/à huit titres (DP8T) avec un filtre intégré. Son composant clé est le module d’interrupteur d’antenne (ASM), qui possède six états de commutation différents.

　　Netlist et run

　　Utilisez la commande « Netlist and Run » pour créer les fichiers nécessaires à la conversion logicielle NI AWR. Puisque cette commande s’exécute sur la plateforme de test, la conversion est en réalité un sous-circuit. Le fichier le plus critique créé est input.scs, qui contient toutes les informations schématiques pertinentes de Cadence.

　　L’exécution du script « Import Spectre Netlist Design » ouvre une interface utilisateur simple. Cette conception de commutateur (environ 2 000 netlists) prend environ une seconde à se traduire. Après translation, deux composants peuvent être utilisés dans n’importe quelle conception : l’un pour le procédé et l’autre pour la conception proprement dite.

　　Un fichier journal a également été généré pour fournir aux concepteurs et aux équipes de support des informations plus détaillées sur les cellules traduites, les bibliothèques utilisées et les simulations de la plateforme de test. Cette conversion inclut des éléments de ligne micro-bande (MLIN) issus de la conception originale, fournissant une modélisation précise de la dispersion et de la perte dans la ligne de transmission dans la conception. De plus, il capture le chemin du répertoire de tout fichier côté Cadence contenant le bloc S-paramètre.

　　Une fois la conception du commutateur de transfert terminée, les utilisateurs chargent deux nouveaux PDK dans des projets nouveaux ou existants dans le logiciel Microwave Office : le PDK traduit de Cadence Foundry (csoi7RF Global Foundries PDK, voir côté gauche de la Figure 4) et le PDK de conception (RF-Core, voir côté droit de la Figure 4). Le fichier RF Core fournit des éléments schématiques et des blocs de conception. Ces PDK fourniront trois simples éléments de bibliothèque logicielle NI AWR nécessaires à la simulation.

　　Figure 4 : Le PDK de Translation Cadence Foundry (à gauche) et le PDK de conception (à droite) apparaissent dans la bibliothèque d’arbres d’éléments, permettant l’insertion de tout nouvel élément de conception logicielle de conception logicielle NI AWR dans le schéma logiciel de conception de circuits Microwave Office via un glisser-déposer standard, comme tout autre élément schématique. Comme montré dans le schéma de la Figure 5, le bloc PROCESS sert à référencer le processus PDK de la fonderie et permet aux utilisateurs de modifier les coins du processus. En utilisant le bloc DESIGN, les utilisateurs peuvent accéder à n’importe quelle variable de conception dans la conception Cadence.

　　Figure 5 : Dans ce schéma de Microwave Office, vous pouvez voir le bloc PROCESS (processus Foundry PDK) et le bloc DESIGN des variables de conception conçues par Cadence. Sur le côté droit du diagramme, le composant traduit comporte environ 20 ports. Le module DESIGN contrôle la position de l’état de l’interrupteur (réglé à 6 dans ce cas) et contrôle les deux tensions de l’état de l’interrupteur. Le bloc PROCESS dans le coin supérieur gauche (mis en évidence sur le côté gauche du diagramme) permet aux concepteurs de spécifier les coins de processus, ce qui est très important pour la conception de circuits intégrés.

　　Pour vérifier la réponse en fréquence de la conversion simulée en table nette dans Microwave Office et les résultats originaux de Spectre, les paramètres S simulés par le Spectre du cas de test ont été importés dans Microwave Office pour comparaison. Les paramètres de vérification sont en réalité les mêmes que pour les bancs de test schématiques contenant des netlists traduites. Pour cette simulation, le sous-circuit contient des blocs de paramètres S de pierre de touche dérivés directement de Cadence.

　　Comparer les résultats des petits signaux

　　La figure 6 montre une comparaison entre les résultats à petit signal simulés par le logiciel NI AWR et les résultats Spectre, représentés par les paramètres S sur toute la bande de fréquences. Comme prévu, les résultats ont montré que les deux résultats étaient exactement cohérents.

　　Figure 6 : Analyse complémentaire comparant les résultats à petits signaux simulés par le logiciel NI AWR avec les résultats Spectre.

　　Les transitions de conception ont désormais été validées, et de nombreuses autres simulations peuvent être réalisées à l’aide d’interrupteurs, notamment le balayage des coins de procédé, l’état de l’interrupteur d’ajustement/balayage, et la tension de contrôle de l’ajustement/balayage. Le RFIC importé se comporte comme un élément classique de Bureau micro-ondes. Sur le côté gauche de la Figure 7, les coins de procédé balayés sont comparés aux données de référence directement obtenues de Cadence, montrant l’impact des coins de procédé et le chevauchement entre le simulateur.

　　Figure 7 : D’autres simulations peuvent désormais être exécutées à l’aide de commutateurs, car leur comportement est similaire à celui d’un élément Microwave Office classique. Le côté droit de la Figure 7 montre la perte d’insertion simulée pour différents états du commutateur (via le chemin) dans cet exemple. Le RFIC est contrôlé à travers six états de commutation différents, montrant des réponses différentes selon l’état de commutation. Les concepteurs peuvent désormais développer des détails de conception en stratifié basés sur des modèles RFIC précis, modifier facilement les états grâce aux paramètres de réglage et effectuer des ajustements ou des scans.

　　De plus, puisque la conception de l’interrupteur est un sous-circuit conventionnel de bureau micro-ondes, il peut être combiné avec d’autres composants du bureau micro-ondes, structures EM, fichiers de données, etc. Plusieurs technologies peuvent être combinées en un seul projet Microwave Office, permettant une simulation collaborative inter-technologies et une intégration de mise en page. Un module empilé unique peut inclure et combiner des interrupteurs en silicium, des PA FIC III-V, des filtres acoustiques, et plus encore. La conception intégrée finale comprend des filtres acoustiques, des dispositifs en silicium, des GaAs-PA et des modules.

　　Disposition de la distribution

　　Les configurations de commutateurs peuvent également être exportées depuis Virtuoso dans des formats standards tels que GDSII, importées dans un logiciel NI AWR, puis reliées ou liées à des sous-circuits schématiques pour garantir des connexions correctes de disposition (voir Figure 8). La disposition géométrique est la même, mais les couleurs varient selon les préférences.

　　8 : Les configurations de commutateurs peuvent être exportées depuis Cadence Virtuoso et importées dans un logiciel NI AWR, puis reliées ou reliées par des sous-circuits schématiques pour garantir les bonnes conclusions de connexion de la disposition.

　　Cet article présente un processus de conception intégré qui combine plusieurs technologies dérivées de différents outils logiciels en un seul projet, permettant une simulation collaborative entre les outils de simulation et de conception de layout. Ce processus permet non seulement aux concepteurs d’intégrer différentes technologies de semi-conducteurs et d’emballage (lamination), mais aussi de tirer parti de conceptions complexes créées à l’origine dans l’environnement de conception RFIC et de les intégrer dans des environnements de conception spécifiquement conçus pour le développement de MMIC, RF PCB et modules. La conception intégrée finale comprend quatre technologies différentes : filtres acoustiques, dispositifs en silicium, PA GaAs et modules.