Процесс проектирования интеграции RF-интерфейсных модулей на основе программного обеспечения Virtuoso и NI AWR

　　Развивающиеся стандарты связи, такие как LTE-A и 5G, стимулируют инновации в RF-архитектурах, создавая вызовы для проектирования фронтенд-модулей RF с точки зрения миниатюризации, производительности и технической поддержки для повышения пропускной способности данных за счёт повышения эффективности спектра.

　　Чтобы удовлетворить требования к более высокой производительности и меньшим размерам компонентов в многорежимных и многочастотных телефонах, отрасль меняет стратегии интеграции модулей с похожих строительных блоков в одном пакете на многофункциональные фронтенды на основе мультитехнологий. Эти разработки ориентированы на каждый частотный диапазон, основанный на едином полностью интегрированном продукте радиочастотного модуля, включая многомодовые и многочастотные усилители мощности (PA), дуплексеры и радиочастотные переключатели.

　　Обычно проектировщики модулей и подсистем используют различные техники в своих проектах. К этим технологиям относятся монолитные микроволновые интегральные схемы (MMIC), арсенид галлия (GaAs) и нитрид галлия (GaN), кремниевые радиочастотные сигналы и многослойные ламинаты. Каждая технология инкапсулирована в специальном наборе проектирования процессов (PDK), который подробно описывает электрические и физические характеристики производственного процесса и строительные блоки фронтенда (библиотеки компонентов).

　　Поддерживает несколько PDK и схемо/электромагнитное (EM) совместное моделирование с многотехнологичным рабочим процессом проектирования для анализа электрических взаимодействий между фильтрами акустической волны (BAW) и поверхностной акустической волны (SAW) (на основе эквивалентных моделей) и многослойной ламинирующей упаковкой. Он обеспечивает комплексный анализ и оптимизацию модулей. Однако при разработке кремниевых RFIC-переключателей, низкошумных усилителей (LNA) и PA ситуация иная и требует более целенаправленных инструментов разработки.

　　В этой статье представлен современный рабочий процесс проектирования, который преобразует PDK в процесс, который можно смоделировать в рамках платформы проектирования NI AWR для поддержки совместного проектирования упаковки микросхем и проверки электромагнитных магнитов. Импортируя дизайны в динамические библиотеки, которые можно использовать с PDK, дизайнеры могут эффективно разрабатывать продукты на основе различных технологий, используя сложные дизайны, изначально созданные в совершенно разных средах.

　　Инструменты EDA, разработанные для конкретных потребностей

　　Дизайнеры используют различные инструменты RF EDA, исходя из личных предпочтений и возможностей конкретных инструментов для выполнения индивидуальных или групповых задач проектирования. Некоторые инструменты сосредоточены на высокочастотных MMIC, печатных платах и проектировании модулей, например, программное обеспечение для проектирования схем Microwave Office. Другие производители, такие как Cadence, ориентируются на проекты на основе кремниевых радиочастот и модулей. Поскольку у каждого из этих инструментов свои преимущества, лучше внедрять процессы проектирования, поддерживающие совместимость и обмен информацией, чтобы дизайнеры могли выбирать лучшие инструменты для каждой задачи проектирования.

　　Для поддержки обмена данными между различными средами были разработаны несколько отраслевых стандартных форматов файлов, таких как Touchstone (SNP) и Measurement Data Exchange Format (MDIF). Файл Touchstone содержит S-параметры — аналоговые или измеренные частотные характеристики сетей с малым сигналом. Файлы MDIF позволяют сортировать данные, такие как S-параметры или шум, используя неограниченное количество независимых переменных (например, частоту или напряжение затвора). Эти форматы позволяют проектировщикам моделировать линейные отклики устройств (таких как RFIC или коммутаторы) в своих симуляциях и легко передавать модель между инструментами проектирования.

　　Мультигармоническая модель (иногда также называемая параметрами Keysight X) похожа на S-параметры, что увеличивает возможность моделирования нелинейного поведения при условиях работы с большим сигналом. Другие форматы данных, используемые в различных инструментах проектирования, включают нетлисты Spice для блоков схем, Exchange File Format (IFF) для схемной информации и форматы макета, такие как GDSII и DXF.

　　Эти стандартные форматы могут быть полностью использованы, но каждый имеет свои ограничения. Например, S-параметры используются для линейного моделирования и не подходят для нелинейного моделирования. Некоторые RF-симуляторы могут использовать только двухпортовые MDIF-файлы. Модели с большими сигналами с мультигармоническими возможностями могут долго генерироваться и моделироваться, а файлы часто бывают крупными и труднодоступными для обмена. Для параметра X файл может быть гигабайтам.

　　Проблемы, с которыми сталкиваются проектировщики модулей и подсистем

　　Для RF-модулей, интегрирующих несколько технологий, разработанных с использованием различных инструментов, сложность общей задачи проектирования часто означает, что потребность в большей совместимости между инструментами выходит за рамки простой совместимости форматов данных. Фронтальные модули и другие мультитехнологические устройства могут содержать до 25 интегральных схем на одном ламинационном модуле, включая BAW и SAW-фильтры, III-V RF MMIC PA, а также кремниевые переключатели и кремниевые LNA с несколькими антеннами. В приведённом здесь примере проектирования кремниевые выключатели и LNA проектируются с помощью инструментов Cadence, а акустические/ламинирующие фильтры выполнены в программном обеспечении Microwave Office. На рисунке 1 показана типичная конструкция многокристального модуля.

　　Блок-схема проектирования интеграции RF-модулей фронтенда 1 на основе программного обеспечения Virtuoso и NI AWR 1: Типичный проект модулей в программной среде микроволнового офиса занимает много времени для конструкторов коммутаторов на создание всех файлов, необходимых для необходимых состояний переключения. Этот процесс может быть подвержен ошибкам, поскольку должен поддерживать более 250 штатов, охваченных RFIC. Для Touchstone файлов фиксируется только линейное поведение. Для переключателей и даже акустических фильтров критическое нелинейное поведение должно фиксироваться большими мультигармоническими файлами. При RFIC-анализе и генерации файлов S-параметров каждое состояние занимает 7 минут, при этом одна операция переключателя имеет 68 состояний, а другая — 25, что требует значительных затрат времени. Обычно одна операция может занять несколько часов или даже дней.

　　Программное обеспечение Cadence Virtuoso и NI AWR совместно моделируют рабочие процессы

　　Решение, представленное в этой статье, использует новые функции, поддерживающие проектирование Cadence непосредственно в программном обеспечении Microwave Office. Рисунок 2 показывает этот процесс. Здесь процесс проектирования преобразования сетевых таблиц Spectre на базе микроволнового офиса позволяет совместное моделирование между программным обеспечением Virtuoso и NI AWR.

　　Рисунок 2: Процесс преобразования Cadence Spectre для совместного моделирования на платформе проектирования NI AWR Проектировщики используют кремниевые процессные PDK и переносят их через нетлист проектирования Spectre в программное обеспечение Microwave Office, что позволяет разработчикам получить доступ ко всем инструментам среды проектирования NI AWR для достижения этого процесса. К этим инструментам относятся программное обеспечение для проектирования систем Visual System Simulator (VSS), линейное и нелинейное моделирование Microwave Office, симуляция гармонических балансировок и переходных элементов APLAC, инструмент для раскладки NI AWR, а также EM-симуляторы AXIEM 3D-плоскости и Analyst 3D метода конечных элементов (FEM).

　　На рисунке 3 показана схема Virtuoso биполярного/восьми-контактного (DP8T) кремниевого коммутатора с встроенным фильтром. Его ключевым компонентом является модуль антенного переключателя (ASM), который имеет шесть различных состояний переключения.

　　Нетлист и пробег

　　Используйте команду «Netlist and Run» для создания файлов, необходимых для конвертации программного обеспечения NI AWR. Поскольку эта команда выполняется на тестовой платформе, преобразование на самом деле является подсхемой. Самым важным созданным файлом является input.scs, который содержит всю релевантную информацию о схеме Cadence.

　　Запуск скрипта «Import Spectre Netlist Design» откроет простой диалог пользовательского интерфейса. Такой дизайн коммутаторов (около 2 000 нетлистов) переводится примерно за секунду. После трансляции в любом проекте могут использоваться два компонента: один для процесса, другой для самого проектирования.

　　Также был сгенерирован лог-файл, предоставляющий разработчикам и командам поддержки более подробную информацию о переводных ячейках, используемых библиотеках и симуляциях тестовой платформы. Это преобразование включает элементы микрополосной линии (MLIN) из оригинальной конструкции, обеспечивающие точное моделирование дисперсии и потерь в линии передачи в конструкции. Кроме того, он захватывает путь каталога любого файла на стороне Cadence, содержащего блок S-параметра.

　　После завершения проектирования переключателя передачи пользователи загружают два новых PDK в новые или существующие проекты в программном обеспечении Microwave Office: переведённый Cadence Foundry PDK (csoi7RF Global Foundries PDK, см. слева на рисунке 4) и проектный PDK (RF-Core, см. справа на рисунке 4). Файл RF Core содержит схемные элементы и проектные блоки. Эти PDK предоставляют три простых элемента библиотеки программного обеспечения NI AWR, необходимые для моделирования.

　　Рисунок 4: Translated Cadence foundry PDK (слева) и проектный PDK (справа) отображаются в библиотеке дерева элементов, что позволяет вставлять любой элемент библиотеки для проектирования NI AWR в схему программного обеспечения Microwave Office с помощью стандартного перетаскивания, как и любой другой элемент схемы. Как показано на схеме на рисунке 5, блок PROCESS используется для ссылки на процесс PDK литейного завода и позволяет пользователям изменять углы процесса. Используя блок DESIGN, пользователи могут получить доступ к любой переменной проектирования в проектировании Cadence.

　　Рисунок 5: В этой схеме микроволнового офиса вы можете увидеть блок PROCESS (процесс литейного PDK) и блок DESIGN переменных проектирования, разработанных компанией Cadence. Справа на схеме переведённый компонент имеет около 20 портов. Модуль DESIGN управляет положением состояния переключателя (в данном случае 6) и двумя напряжениями для состояния переключателя. Блок PROCESS в верхнем левом углу (выделен слева на диаграмме) даёт проектировщикам возможность задавать углы процесса, что очень важно для проектирования ИС.

　　Для проверки частотной характеристики смоделированного преобразования сетевой таблицы в Microwave Office и исходных результатов Spectre параметры S, смоделированные тестовым примером Spectre, были импортированы в Microwave Office для сравнения. Настройки верификации на самом деле такие же, как у схемных тестбенков с переведёнными нетлистами. Для этой симуляции подсхема содержит блоки параметров S, непосредственно полученные из Cadence.

　　Сравните результаты малых сигналов

　　На рисунке 6 показано сравнение малых сигналов, смоделированных программным обеспечением NI AWR, и результатов Spectre, представленных S-параметрами по всему частотному диапазону. Как и ожидалось, результаты показали, что оба исхода были абсолютно последовательными.

　　Рисунок 6: Дополнительный анализ, сравнивающий малосигнальные результаты, смоделированные программным обеспечением NI AWR, с результатами Spectre.

　　Переходы в проектировании уже проверены, и многие другие симуляции могут быть выполнены с помощью переключателей, включая сканирование углов процесса, регулировку/сканирование состояния переключателя и регулировку/сканирование управляющего напряжения. Импортированный RFIC ведёт себя как обычный элемент микроволнового офиса. Слева на рисунке 7 отсканированные углы процесса сравниваются с эталонными данными, полученными непосредственно из Cadence, показывающими влияние углов процесса и перекрытия между симулятором.

　　Рисунок 7: Другие симуляции теперь могут выполняться с помощью переключателей, так как их поведение похоже на обычный элемент микроволнового офиса. Правая сторона рисунка 7 показывает имитированные потери вставки для различных состояний переключателей (через путь) в этом примере. RFIC управляется через шесть различных состояний переключения, показывая разные отклики в зависимости от состояния коммутации. Дизайнеры теперь могут разрабатывать детали ламинированного дизайна на основе точных RFIC-моделей, легко менять состояния с помощью параметров и осуществлять корректировки или сканирование.

　　Кроме того, поскольку конструкция коммутатора является традиционной подсхемой микроволнового офиса, её можно комбинировать с любыми другими компонентами микроволнового офиса, электромагнитными структурами, файлами данных и так далее. Несколько технологий могут быть объединены в один проект микроволнового офиса, что позволяет осуществлять межтехнологичное совместное моделирование и интеграцию макета. Один слойный модуль может включать и объединять кремниевые переключатели, III-V PA FIC, акустические фильтры и многое другое. Окончательная интегрированная конструкция включает акустические фильтры, кремниевые устройства, GaAs-PA и модули.

　　Схема распределения

　　Компоновки коммутаторов также могут быть экспортированы из Virtuoso в стандартных форматах, таких как GDSII, и импортированы в программное обеспечение NI AWR, а затем связаны или связаны с схематическими подсхемами для обеспечения правильных соединений раскладки (см. рисунок 8). Геометрическая схема осталась той же, но цвета меняются в зависимости от предпочтений.

　　8: Компоновки коммутаторов можно экспортировать из Cadence Virtuoso и импортировать в программное обеспечение NI AWR, а затем связывать или связывать с помощью схемных подсхем для обеспечения правильных выводов соединения макетов.

　　В этой статье представлен интегрированный процесс проектирования, объединяющий несколько технологий, полученных из разных программных инструментов, в один проект, что позволяет совместно моделировать инструменты симуляции и макетирования. Этот процесс позволяет проектировщикам не только интегрировать различные технологии полупроводников и упаковки (ламинирование), но и использует сложные конструкции, изначально созданные в среде проектирования RFIC, и интегрирует их в проектные среды, специально разработанные для MMIC, RF PCB и разработки модулей. Окончательная интегрированная конструкция включает четыре различных технологии: акустические фильтры, кремниевые устройства, GaAs PA и модули.