Processo de integração de módulos front-end RF baseado em softwares Virtuoso e NI AWR

　　Padrões de comunicação em evolução, como LTE-A e 5G, estão impulsionando a inovação em arquiteturas de RF, apresentando desafios para o design de módulos front-end de RF em termos de miniaturização, desempenho e suporte técnico para melhorar o throughput de dados por meio de maior eficiência do espectro.

　　Para atender às demandas por maior desempenho e tamanhos menores de componentes em telefones multimodo e multifrequência, a indústria está mudando as estratégias de integração de módulos de blocos de construção semelhantes em um único pacote para front-ends multifuncionais baseados em multitecnologia. Esses desenvolvimentos visam todas as faixas de frequência, baseados em um único produto de módulo RF totalmente integrado, incluindo amplificadores de potência multimodo/multifrequência (PAs), duplexers e comutadores RF.

　　Normalmente, projetistas de módulos e subsistemas utilizam uma variedade de técnicas em seus projetos. Essas tecnologias incluem circuitos integrados monolíticos de micro-ondas (MMICs) com arseneto de gálio (GaAs) e nitrueto de gálio (GaN), RFICs de silício e laminados multicamadas. Cada tecnologia está encapsulada em um Kit de Design de Processos (PDK) específico, que detalha os atributos elétricos e físicos do processo de fabricação e dos blocos de construção front-end (bibliotecas de componentes).

　　Suporta múltiplos PDKs e co-simulação circuito/eletromagnética (EM) com um fluxo de trabalho de projeto multitecnológico para analisar interações elétricas entre filtros de onda acústica em massa (BAW) e ondas acústicas de superfície (SAW) (baseados em modelos de circuito equivalentes) e embalagens de laminação multicamada. Ele oferece análise e otimização abrangentes de módulos. No entanto, ao desenvolver switches RFIC de silício, amplificadores de baixo ruído (LNAs) e PAs, a situação é diferente e requer ferramentas de desenvolvimento mais direcionadas.

　　Este artigo apresenta um fluxo de trabalho moderno de design que converte o PDK em um processo que pode ser simulado dentro da plataforma de design do NI AWR para suportar o co-design de empacotamento de chips e a verificação EM. Ao importar designs em bibliotecas dinâmicas que podem ser usadas com PDKs, os designers podem desenvolver produtos efetivamente baseados em diferentes tecnologias, usando designs complexos originalmente criados em ambientes completamente distintos.

　　Ferramentas EDA projetadas para necessidades específicas

　　Os projetistas utilizam diferentes ferramentas de RF EDA com base nas preferências pessoais e nas capacidades de ferramentas específicas para lidar com tarefas individuais ou em grupo. Algumas ferramentas focam em MMICs de alta frequência, PCBs e design de módulos, como softwares de design de circuitos para escritórios de micro-ondas. Outros fornecedores, como a Cadence, estão mirando em projetos de RFIC e módulos baseados em silício. Como cada uma dessas ferramentas tem suas próprias vantagens, é melhor adotar fluxos de design que apoiem interoperabilidade e troca de informações, para que os projetistas possam selecionar as melhores ferramentas para cada tarefa de projeto.

　　Para suportar a troca de dados entre diferentes ambientes, vários formatos de arquivo padrão da indústria foram desenvolvidos, como arquivos touchstone (SNP) e Measurement Data Exchange Format (MDIF). O arquivo touchstone fornece parâmetros S, que são respostas analógicas ou de frequência medidas de pequenos sinais de redes. Arquivos MDIF permitem a ordenação de dados como parâmetros S ou ruído usando um número ilimitado de variáveis independentes (como frequência ou tensão de porta). Esses formatos permitem que os projetistas modelem as respostas lineares de dispositivos (como RFICs ou switches) em suas simulações e transfiram facilmente o modelo entre ferramentas de projeto.

　　O modelo multiharmônico (às vezes também chamado de parâmetros Keysight X) é semelhante aos parâmetros S, aumentando a capacidade de simular comportamento não linear sob condições operacionais de grande sinal. Outros formatos de dados usados entre diferentes ferramentas de design incluem netlists Spice para blocos de circuito, Exchange File Format (IFF) para informações esquemáticas e formatos de layout como GDSII e DXF.

　　Esses formatos padrão podem ser totalmente utilizados, mas cada um tem suas próprias limitações. Por exemplo, parâmetros S são usados para simulação linear e não são adequados para simulação não linear. Alguns simuladores RF só podem usar arquivos MDIF de porta dupla. Modelos multiharmônicos de grande sinal podem levar muito tempo para serem gerados e simulados, e arquivos são frequentemente grandes e difíceis de compartilhar. Para o parâmetro X, o arquivo pode ser gigabyte.

　　Desafios enfrentados pelos projetistas de módulos e subsistemas

　　Para módulos de RF que integram múltiplas tecnologias desenvolvidas usando diversas ferramentas, a complexidade da tarefa de projeto geral frequentemente significa que a demanda por maior interoperabilidade entre ferramentas vai além da simples compatibilidade de formatos de dados. Módulos front-end e outros dispositivos multitecnológicos podem conter até 25 circuitos integrados em um único módulo de laminação, incluindo filtros BAW e SAW, PAs MMIC RF III-V, bem como switches de silício e LNAs de silício com múltiplas antenas. No exemplo de design apresentado aqui, switches de silício e LNAs são projetados usando ferramentas Cadence, enquanto filtros acústicos/laminação são concluídos no software Microwave Office. A Figura 1 mostra um design típico de módulo multichip.

　　Diagrama de Fluxo de Integração de Módulos de Interface RF 1 Baseado em Software Virtuoso e NI AWR 1: O design típico de módulos no ambiente de software Microwave Office é muito demorado para os projetistas de switches criarem todos os arquivos necessários para os estados de comutação necessários. Esse processo pode ser propenso a erros porque precisa suportar mais de 250 estados cobertos pelo RFIC. Para arquivos touchstone, apenas o comportamento linear é capturado. Para interruptores e até filtros acústicos, o comportamento crítico não linear precisa ser capturado por arquivos multiharmônicos maiores. Com análise RFIC e geração de arquivos por parâmetro S, cada estado leva 7 minutos, enquanto uma operação de switch tem 68 estados e outra tem 25 estados, o que exige um investimento significativo de tempo. Normalmente, uma única operação pode levar várias horas ou até dias.

　　O software Cadence Virtuoso e NI AWR simulam fluxos de trabalho

　　A solução apresentada neste artigo aproveita novos recursos que suportam designs Cadence diretamente dentro do software Microwave Office. A Figura 2 mostra esse processo. Aqui, o processo de conversão de net-table baseado no Spectre baseado no Microwave Office permite simulações colaborativas entre o Virtuoso e o software NI AWR.

　　Figura 2: Processo de conversão Cadence Spectre para simulação colaborativa na plataforma de design NI AWR Os projetistas utilizam PDKs de processo de silício e os transferem via netlist de design Spectre para o software Microwave Office, permitindo que os projetistas acessem todas as ferramentas do ambiente de projeto NI AWR para alcançar esse processo. Essas ferramentas incluem software de design de sistemas Visual System Simulator (VSS), simulação linear e não linear Microwave Office, balanceamento harmônico APLAC e simulação transitória, ferramenta de layout NI AWR, além de simuladores EM AXIEM 3D plane e método de elementos finitos 3D Analyst (FEM).

　　A Figura 3 mostra o esquema Virtuoso de um switch de silício bipolar/eight-throw (DP8T) com filtro no chip. Seu componente chave é o Antenna Switch Module (ASM), que possui seis estados de comutação diferentes.

　　Netlist e run

　　Use o comando "Netlist and Run" para criar os arquivos necessários para a conversão de software NI AWR. Como esse comando roda na plataforma de teste, a conversão é na verdade um subcircuito. O arquivo mais crítico criado é o input.scs, que contém todas as informações relevantes do esquema do Cadence.

　　Executar o script "Importar Spectre Netlist Design" abrirá uma interface simples de diálogo de usuário. Esse design de switch (cerca de 2.000 netlists) leva cerca de um segundo para ser traduzido. Após a translação, dois componentes podem ser usados em qualquer projeto: um para o processo e outro para o projeto propriamente dito.

　　Um arquivo de log também foi gerado para fornecer aos projetistas e equipes de suporte informações mais detalhadas sobre células traduzidas, bibliotecas usadas e simulações da plataforma de teste. Essa conversão inclui elementos de linha microstrip (MLIN) do projeto original, fornecendo modelagem precisa da dispersão e perda na linha de transmissão no projeto. Além disso, captura o caminho do diretório de qualquer arquivo no lado Cadence contendo o bloco de parâmetros S.

　　Após o design do switch de transferência ser concluído, os usuários carregam dois novos PDKs em projetos novos ou existentes no software Microwave Office: o PDK traduzido do Cadence foundry (csoi7RF Global Foundries PDK, veja o lado esquerdo da Figura 4) e o PDK do projeto (RF-Core, veja o lado direito da Figura 4). O arquivo RF Core fornece elementos esquemáticos e blocos de projeto. Esses PDKs fornecerão três simples elementos de biblioteca de software NI AWR necessários para simulação.

　　Figura 4: O PDK da fundição Cadence traduzido (à esquerda) e o PDK de projeto (à direita) aparecem na biblioteca de árvore de elementos, permitindo a inserção de qualquer elemento novo de design de software de design de software de software de software de design de circuitos do Escritório de Micro-ondas via arrastar e soltar padrão, assim como qualquer outro elemento esquemático. Como mostrado no esquema da Figura 5, o bloco PROCESS é usado para referenciar o processo PDK da fundição e permite que os usuários modifiquem os cantos do processo. Usando o bloco DESIGN, os usuários podem acessar qualquer variável de design no design Cadence.

　　Figura 5: Neste esquema do Microwave Office, você pode ver o bloco PROCESS (processo Foundry PDK) e o bloco DESIGN das variáveis de projeto projetadas pela Cadence. No lado direito do diagrama, o componente traduzido possui cerca de 20 portas. O módulo DESIGN controla a posição do estado do interruptor (definido para 6 neste caso) e controla as duas tensões do estado do interruptor. O bloco PROCESS no canto superior esquerdo (destacado no lado esquerdo do diagrama) dá aos projetistas a capacidade de especificar cantos de processo, o que é muito importante para o projeto de CI.

　　Para verificar a resposta em frequência da conversão simulada para tabela líquida no Escritório de Micro-ondas e os resultados originais do Spectre, os parâmetros S simulados pelo Spectre do caso de teste foram importados para o Escritório de Micro-ondas para comparação. As configurações de verificação são, na verdade, as mesmas das bancadas de teste esquemáticas contendo netlists traduzidas. Para essa simulação, o subcircuito contém blocos de parâmetros S de pedra de toque derivados diretamente do Cadence.

　　Compare os resultados de sinais pequenos

　　A Figura 6 mostra uma comparação entre os resultados de sinal pequeno simulados pelo software NI AWR e os resultados do Spectre, representados pelos parâmetros S em toda a faixa de frequência. Como esperado, os resultados mostraram que os dois desfechos foram exatamente consistentes.

　　Figura 6: Análise suplementar comparando os resultados de pequenos sinais simulados pelo software NI AWR com os resultados do Spectre.

　　As transições de projeto já foram validadas, e muitas outras simulações podem ser realizadas usando interruptores, incluindo varredura de cantos de processo, ajuste/varredura do status dos interruptores e ajuste/varredura da tensão de controle. O RFIC importado se comporta como um elemento comum do Escritório de Micro-ondas. No lado esquerdo da Figura 7, os cantos de processo escaneados são comparados com dados de referência obtidos diretamente do Cadence, mostrando o impacto dos cantos do processo e a sobreposição entre o simulador.

　　Figura 7: Outras simulações agora podem ser executadas usando switches, pois seu comportamento é semelhante ao de um elemento comum do Microwave Office. O lado direito da Figura 7 mostra a perda simulada de inserção para diferentes estados de switch (via caminho) neste exemplo. O RFIC é controlado por meio de seis estados de comutação diferentes, mostrando respostas distintas dependendo do estado de comutação. Os projetistas agora podem desenvolver detalhes de design de laminados com base em modelos RFIC precisos, alterar estados facilmente por meio de configurações de parâmetros e realizar ajustes ou varreduras.

　　Além disso, como o design do interruptor é um subcircuito convencional de Escritório de Micro-ondas, ele pode ser combinado com quaisquer outros componentes do Escritório de Micro-ondas, estruturas EM, arquivos de dados e assim por diante. Múltiplas tecnologias podem ser combinadas em um único projeto de Escritório de Micro-ondas, permitindo simulação colaborativa entre tecnologias e integração de layout. Um único módulo empilhado pode incluir e combinar switches de silício, III-V PA FIC, filtros acústicos e mais. O layout final integrado do projeto inclui filtros acústicos, dispositivos de silício, GaAs-PAs e módulos.

　　Disposição da distribuição

　　Layouts de switches também podem ser exportados do Virtuoso em formatos padrão como GDSII e importados para softwares NI AWR, depois ligados ou vinculados a subcircuitos esquemáticos para garantir conexões corretas de layout (ver Figura 8). O layout geométrico é o mesmo, mas as cores variam conforme a preferência.

　　8: Layouts de comutadores podem ser exportados do Cadence Virtuoso e importados para o software NI AWR, depois vinculados ou vinculados com subcircuitos esquemáticos para garantir as conclusões corretas de conexão do layout.

　　Este artigo apresenta um processo integrado de design que combina múltiplas tecnologias derivadas de diferentes ferramentas de software em um único projeto, permitindo simulação colaborativa entre ferramentas de simulação e design de layout. Esse processo não apenas permite que os projetistas integrem diferentes tecnologias de semicondutores e embalagens (laminação), mas também aproveita projetos complexos originalmente criados no ambiente de design RFIC e os integra a ambientes de design especificamente projetados para desenvolvimento de MMIC, RF PCB e módulos. O layout final integrado de design inclui quatro tecnologias diferentes: filtros acústicos, dispositivos de silício, PAs GaAs e módulos.