Virtuoso ve NI AWR yazılımına dayalı RF ön uç modül entegrasyon tasarım süreci

　　LTE-A ve 5G gibi gelişen iletişim standartları, RF mimarilerinde yenilikleri tetikliyor ve RF ön uç modül tasarımı için miniatürleştirme, performans ve veri akışını artırarak veri verimliliğini artıran teknik destek açısından zorluklar yaratıyor.

　　Çok modlu ve çok frekanslı telefonlarda daha yüksek performans ve daha küçük bileşen boyutları taleplerini karşılamak için sektör, modül entegrasyon stratejilerini tek bir paketteki benzer yapı taşlarından çoklu teknoloji tabanlı çok işlevli ön uçlara kaydırmaktadır. Bu gelişmeler, çoklu mod/çoklu frekans güç amplifikatörleri (PA'lar), duplexer'lar ve RF anahtarları dahil olmak üzere tek bir tam entegre RF modül ürününe dayalı her frekans aralığını hedefliyor.

　　Genellikle, modül ve alt sistem tasarımcıları tasarımlarında çeşitli teknikler kullanırlar. Bu teknolojiler arasında galyum arsenid (GaAs) ve galyum nitrür (GaN) monolitik mikrodalga entegre devreler (MMIC'ler), silikon RFIC'ler ve çok katmanlı laminatlar yer alır. Her teknoloji, üretim sürecinin elektriksel ve fiziksel özelliklerini ve ön yapı bloklarını (bileşen kütüphanelerini) detaylandıran özel bir Süreç Tasarım Kiti (PDK) içinde kapsüllenir.

　　Toplu akustik dalga (BAW) ve yüzey akustik dalga (SAW) filtreleri (eşdeğer devre modellerine dayanarak) ve çok katmanlı laminasyon paketleme arasındaki elektriksel etkileşimleri analiz etmek için çoklu teknolojili tasarım iş akışı ile birden fazla PDK ve devre/elektromanyetik (EM) ortak simülasyonu destekler. Kapsamlı modül analizi ve optimizasyon sağlar. Ancak, silikon RFIC anahtarları, düşük gürültülü amplifikatörler (LNA'lar) ve PA'lar geliştirilirken durum farklıdır ve daha hedefli geliştirme araçları gerektirir.

　　Bu makale, PDK'yı NI AWR tasarım platformunda simüle edilebilecek bir sürece dönüştüren modern bir tasarım iş akışını tanıtıyor; bu süreç çip paketleme ortak tasarımı ve EM doğrulamasını desteklemektedir. Tasarımları PDK'larla kullanılabilecek dinamik kütüphanelere aktararak, tasarımcılar tamamen farklı ortamlarda orijinal olarak oluşturulan karmaşık tasarımları kullanarak farklı teknolojilere dayalı ürünleri etkili bir şekilde geliştirebilirler.

　　Özel ihtiyaçlar için tasarlanmış EDA araçları

　　Tasarımcılar, bireysel veya grup tasarım görevlerini yerine getirmek için kişisel tercihlere ve belirli araçların yeteneklerine göre farklı RF EDA araçlarını kullanır. Bazı araçlar, Mikrodalga Ofisi devre tasarım yazılımı gibi yüksek frekanslı MMIC'ler, PCB'ler ve modül tasarımına odaklanır. Cadence gibi diğer üreticiler ise silikon tabanlı RFIC ve modül tasarımlarını hedefliyor. Bu araçların her birinin kendi avantajları olduğundan, tasarımcıların her tasarım görevi için en iyi araçları seçebilmesi için birlikte çalışabilirlik ve bilgi alışverişini destekleyen tasarım akışlarını benimsemek en iyisidir.

　　Farklı ortamlar arasında veri alışverişini desteklemek için, touchstone (SNP) ve Ölçüm Veri Değişim Formatı (MDIF) gibi birkaç endüstri standartı dosya formatı geliştirilmiştir. Touchstone dosyası, ağların küçük sinyalli analog veya ölçülen frekans yanıtları olan S-parametreleri sağlar. MDIF dosyaları, S-parametreleri veya gürültü gibi verilerin sınırsız sayıda bağımsız değişken (örneğin frekans veya kapı voltajı gibi) kullanılarak sıralanmasına olanak tanır. Bu formatlar, tasarımcıların simülasyonlarında cihazların (örneğin RFIC'ler veya anahtarlar) doğrusal yanıtlarını modellemelerine ve modeli tasarım araçları arasında kolayca aktarmalarına olanak tanır.

　　Çok harmonik model (bazen Keysight X parametreleri olarak da adlandırılır) S-parametrelerine benzer; büyük sinyal çalışma koşullarında doğrusal olmayan davranışı simüle etme yeteneğini artırır. Farklı tasarım araçları arasında kullanılan diğer veri formatları arasında devre blokları için Spice netlistleri, şematik bilgiler için Exchange File Format (IFF) ve GDSII ile DXF gibi düzen formatları bulunur.

　　Bu standart formatlar tam olarak kullanılabilir, ancak her birinin kendi sınırlamaları vardır. Örneğin, S-parametreleri doğrusal simülasyon için kullanılır ve doğrusal olmayan simülasyon için uygun değildir. Bazı RF simülatörleri yalnızca çift portlu MDIF dosyalarını kullanabilir. Büyük sinyalli çok harmonik modellerin üretilmesi ve simülasyonu uzun zaman alabilir, dosyalar genellikle büyük ve paylaşması zor olur. X parametresi için dosya gigabayt olabilir.

　　Modül ve alt sistem tasarımcılarının karşılaştığı zorluklar

　　Çeşitli araçlarla geliştirilen birden fazla teknolojiyi entegre eden RF modülleri için, genel tasarım görevinin karmaşıklığı genellikle araçlar arasında daha fazla birlikte çalışabilirlik talebinin basit veri formatı uyumluluğunun ötesine geçtiği anlamına gelir. Ön modüller ve diğer çok teknolojili cihazlar, tek bir laminasyon modülünde BAW ve SAW filtreleri, III-V RF MMIC PA'LAR, silikon anahtarlar ve çoklu antenli silikon LNA'lar dahil olmak üzere 25'e kadar entegre devre barındırabilir. Burada sunulan tasarım örneğinde, silikon anahtarlar ve LNA'lar Cadence araçları kullanılarak tasarlanırken, akustik/laminasyon filtreleri Mikrodalga Ofis yazılımında tamamlanmıştır. Şekil 1, tipik bir çok çipli modül tasarımını göstermektedir.

　　RF Ön Uç Modül Entegrasyon Tasarım Akış Şeması 1 Virtuoso ve NI AWR Yazılımına Dayalı 1: Mikrodalga Ofis yazılım ortamında tipik modül tasarımı, anahtar tasarımcılarının gerekli anahtarlama durumları için gereken tüm dosyaları oluşturması çok zaman alıcıdır. Bu süreç, RFIC kapsamında 250'den fazla eyaleti desteklemesi gerektiği için hatalara açık olabilir. Touchstone dosyaları için yalnızca doğrusal davranış yakalanır. Anahtarlar ve hatta akustik filtreler için, kritik doğrusal olmayan davranış daha büyük çok harmonik dosyalarla yakalanmalıdır. RFIC analizi ve S-parametre dosya üretiminde her durum 7 dakika sürerken, bir anahtar operasyonunda 68 durumda, diğerinde ise 25 durum bulunur ve bu da önemli bir zaman yatırımı gerektirir. Genellikle, tek bir işlem birkaç saat hatta günler sürebilir.

　　Cadence Virtuoso ve NI AWR yazılımı iş akışlarını birlikte simüle eder

　　Bu makalede sunulan çözüm, Cadence tasarımlarını doğrudan Mikrodalga Ofisi yazılımı içinde destekleyen yeni özelliklerden yararlanıyor. Şekil 2 bu süreci göstermektedir. Burada, Mikrodalga Ofisi tabanlı Spectre net-table dönüşüm tasarımı süreci, Virtuoso ile NI AWR yazılımları arasında iş birliği simülasyonu sağlar.

　　Şekil 2: NI AWR tasarım platformunda işbirlikçi simülasyon için Cadence Spectre dönüşüm süreci Tasarımcılar silikon proses PDK'larını kullanır ve bunları Spectre tasarım netlist üzerinden Mikrodalga Ofis yazılımına aktarır; böylece tasarımcılar bu süreci gerçekleştirmek için tüm NI AWR tasarım ortamı araçlarına erişebilirler. Bu araçlar arasında Visual System Simulator (VSS) sistem tasarım yazılımı, Mikrodalga Ofisi doğrusal ve doğrusal olmayan simülasyon, APLAC harmonik dengeleme ve geçici simülasyon, NI AWR düzenleme aracı ile AXIEM 3D düzlem ve Analyst 3D sonlu eleman yöntemi (FEM) EM simülatörleri yer almaktadır.

　　Şekil 3, çip içi filtreli bipolar/sekiz atışlı (DP8T) silikon anahtarın Virtuoso şemasını göstermektedir. Temel bileşeni, altı farklı anahtarlama durumuna sahip Anten Anahtar Modülüdür (ASM).

　　Net listesi ve koşu

　　NI AWR yazılım dönüşümü için gereken dosyaları oluşturmak için "Netlist and Run" komutunu kullanın. Bu komut test platformunda çalıştığı için, dönüşüm aslında bir alt devredir. Oluşturulan en kritik dosya, tüm ilgili Cadence şematik bilgilerini içeren input.scs'tir.

　　"Import Spectre Netlist Design" betikini çalıştırmak basit bir kullanıcı arayüzü diyalogu açar. Bu switch tasarımı (yaklaşık 2.000 netlist) çevirmesi yaklaşık bir saniye sürüyor. Çeviriden sonra, herhangi bir tasarımda iki bileşen kullanılabilir: biri süreç için, diğeri ise gerçek tasarım için.

　　Ayrıca, tasarımcılara ve destek ekiplerine çevrilmiş hücreler, kullanılan kütüphaneler ve test platformu simülasyonları hakkında daha ayrıntılı bilgi sağlamak için bir günlük dosyası oluşturuldu. Bu dönüşüm, orijinal tasarımdan mikroşerit hat (MLIN) elemanlarını içerir ve tasarımda iletim hattındaki dağılım ve kaybın hassas modellenmesini sağlar. Ayrıca, Cadence tarafındaki S-parametre bloğunu içeren herhangi bir dosyanın dizin yolunu yakalar.

　　Transfer anahtar tasarımı tamamlandıktan sonra, kullanıcılar Mikrodalga Ofisi yazılımında yeni veya mevcut projelere iki yeni PDK yükler: çevrilmiş Cadence dökümhanesi PDK (csoi7RF Global Foundries PDK, Şekil 4'ün sol tarafına bakınız) ve tasarım PDK (RF-Core, Şekil 4'ün sağ tarafına bakınız). RF Core dosyası şematik öğeler ve tasarım blokları sağlar. Bu PDK'lar, simülasyon için gereken üç basit NI AWR yazılım kütüphanesi öğesi sağlayacaktır.

　　Şekil 4: Çevirilmiş Cadence dökümhanesi PDK (solda) ve tasarım PDK (sağda) eleman ağacı kütüphanesinde yer alır; bu da herhangi bir NI AWR yazılım tasarımı yeni kütüphane öğesinin, diğer şematik elemanlar gibi standart sürükleyip bırak yöntemiyle Mikrodalga Ofisi devre tasarım yazılımı şemasına eklenmesine olanak tanır. Şekil 5'teki şematikte gösterildiği gibi, PROCESS bloğu dökümhanenin PDK sürecine referans vermek için kullanılır ve kullanıcıların süreç köşelerini değiştirmesine olanak tanır. DESIGN bloğunu kullanarak kullanıcılar Cadence tasarımındaki herhangi bir tasarım değişkenine erişebilirler.

　　Şekil 5: Bu Mikrodalga Ofisi şemasiğinde, Cadence tarafından tasarlanan tasarım değişkenlerinin PROCESS bloğunu (dökümhane PDK süreci) ve DESIGN bloğunu görebilirsiniz. Diyagramın sağ tarafında, çevrilmiş bileşenin yaklaşık 20 portu vardır. DESIGN modülü, anahtar durumunun konumunu (bu durumda 6'ya ayarlanmış) kontrol eder ve anahtar durumu için iki voltajı kontrol eder. Sol üst köşedeki PROCESS bloğu (diyagramın sol tarafında vurgulanmıştır) tasarımcılara süreç köşelerini belirtme imkanı verir ki, bu da IC tasarımı için çok önemlidir.

　　Mikrodalga Ofisi'nde simüle edilmiş net-table dönüşümünün frekans tepkisi ve orijinal Spectre sonuçları doğrulamak için, test vakası Spectre tarafından simüle edilen S-parametreleri karşılaştırma için Mikrodalga Ofisi'ne aktarıldı. Doğrulama ayarları, çevirilmiş netlistleri içeren şematik test tezgahları için olanlarla aynıdır. Bu simülasyon için, alt devrede doğrudan Cadence'den türetilen touchstone S parametre blokları bulunur.

　　Küçük sinyal sonuçlarını karşılaştırın

　　Şekil 6, NI AWR yazılımı tarafından simüle edilen küçük sinyal sonuçları ile tüm frekans bandındaki S-parametreleriyle temsil edilen Spectre sonuçları arasında bir karşılaştırmayı göstermektedir. Beklendiği gibi, sonuçlar iki sonucun tamamen tutarlı olduğunu gösterdi.

　　Şekil 6: NI AWR yazılımı tarafından simüle edilen küçük sinyal sonuçlarını Spectre sonuçları ile karşılaştıran ek analiz.

　　Tasarım geçişleri artık doğrulanmış ve anahtarlar kullanılarak birçok başka simülasyon yapılabilir; bunlar arasında süreç köşelerinin taraması, anahtar durumunu ayarlama/tarama ve kontrol voltajının ayarlanması/taraması dahildir. İthal RFIC, normal bir Mikrodalga Ofis elemanı gibi davranır. Şekil 7'nin sol tarafında, taranan süreç köşeleri, doğrudan Cadence'den elde edilen referans verileriyle karşılaştırılır; bu veriler, süreç köşelerinin etkisini ve simülatör arasındaki örtüşmeyi gösterir.

　　Şekil 7: Diğer simülasyonlar artık anahtarlar kullanılarak çalıştırılabilir, çünkü davranışları normal bir Mikrodalga Ofis elemanına benzerdir. Şekil 7'nin sağ tarafı, bu örnekte farklı anahtar durumları (yol aracılığıyla) için simüle edilmiş yerleştirme kaybını göstermektedir. RFIC, altı farklı anahtarlama durumu aracılığıyla kontrol edilir ve anahtarlama durumuna bağlı olarak farklı yanıtlar gösterir. Tasarımcılar artık hassas RFIC modellerine dayalı laminat tasarım detayları geliştirebiliyor, parametre ayarlarıyla durumları kolayca değiştirebilir ve ayarlamalar veya taramalar gerçekleştirebiliyor.

　　Ayrıca, anahtar tasarımı geleneksel bir Mikrodalga Ofisi alt devresi olduğundan, diğer Mikrodalga Ofis bileşenleri, EM yapıları, veri dosyaları gibi diğer araçlarla birleştirilebilir. Birden fazla teknoloji tek bir Mikrodalga Ofis projesinde birleştirilebilir ve bu da çapraz teknoloji işbirlikçi simülasyon ve yerleşim entegrasyonunu mümkün kılar. Tek bir yığınlı modül, silikon anahtarlar, III-V PA FIC, akustik filtreler ve daha fazlasını içerebilir ve birleştirebilir. Son entegre tasarım düzeni akustik filtreler, silikon cihazlar, GaAs-PA'lar ve modülleri içerir.

　　Dağıtım düzeni

　　Anahtar düzenleri ayrıca Virtuoso'dan GDSII gibi standart formatlarda dışa aktarılıp NI AWR yazılımına aktarılabilir, ardından doğru yerleşim bağlantılarını sağlamak için şematik alt devrelere bağlanabilir veya bağlanabilir (bkz. Şekil 8). Geometrik düzen aynıdır, ancak renkler tercihe göre değişir.

　　8: Anahtar düzenleri Cadence Virtuoso'dan dışa aktarılıp NI AWR yazılımına aktarılabilir, ardından doğru yerleşim bağlantısı sonuçlarını sağlamak için şematik alt devrelerle bağlanabilir veya bağlanabilir.

　　Bu makale, farklı yazılım araçlarından türetilen birden fazla teknolojiyi tek bir projede birleştiren entegre bir tasarım sürecini tanıtır ve simülasyon ile düzen tasarım araçları arasında iş birliği simülasyonu mümkün kılar. Bu süreç, tasarımcıların farklı yarı iletken ve ambalaj (laminasyon) teknolojilerini entegre etmesini sağlamakla kalmaz, aynı zamanda RFIC tasarım ortamında orijinal olarak oluşturulan karmaşık tasarımlardan yararlanır ve bunları MMIC, RF PCB ve modül geliştirme için özel tasarlanmış tasarım ortamlarına entegre eder. Son entegre tasarım düzeni dört farklı teknolojiyi içerir: akustik filtreler, silikon cihazlar, GaAs PA'lar ve modüller.