基于Virtuoso平臺(tái)的單片射頻收發(fā)系統(tǒng)電路仿真與版圖設(shè)計(jì)

在當(dāng)前通信市場(chǎng)的帶動(dòng)下，通信技術(shù)飛速向前發(fā)展，手持無線通信終端成為其中的熱門應(yīng)用之一。因此，單片集成的射頻收發(fā)系統(tǒng)正受到越來越廣泛的關(guān)注。典型的射頻收發(fā)系統(tǒng)包括低噪聲放大器(LNA)、混頻器(Mixer)、濾波器、可變?cè)鲆娣糯笃?，以及提供本振所需的頻率綜合器等單元模塊，如圖1所示。對(duì)于工作在射頻環(huán)境的電路系統(tǒng)，如2.4G或5G的WLAN應(yīng)用，系統(tǒng)中要包含射頻前端的小信號(hào)噪聲敏感電路、對(duì)基帶低頻大信號(hào)有高線性度要求的模塊、發(fā)射端大電流的PA模塊、鎖相環(huán)頻率綜合器中的數(shù)字塊，以及非線性特性的VCO等各具特點(diǎn)的電路。眾多的電路單元及其豐富的特點(diǎn)必然要求在這種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中有一個(gè)功能豐富且強(qiáng)大的設(shè)計(jì)平臺(tái)。在綜合比較后，本文選定了CadenceVirtuoso全定制IC設(shè)計(jì)工具。

VirtUOSO是Cadence公司推出的用于模擬／數(shù)字混合電路仿真和射頻電路仿真的專業(yè)軟件?；诖似脚_(tái)，Cadence公司還開發(fā)了面向射頻設(shè)計(jì)的新技術(shù)，包括射頻提取技術(shù)、針對(duì)無線芯片設(shè)計(jì)的兩個(gè)新設(shè)計(jì)流程。不僅如此，目前的virtuoso已經(jīng)整合了來自合作伙伴安捷倫、coWare、Helic 和Mathworks等公司的技術(shù)，射頻設(shè)計(jì)能力大為增強(qiáng)。使用該項(xiàng)新技術(shù)，可以減少設(shè)計(jì)反復(fù)，并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。其AMS工具可以實(shí)現(xiàn)自頂向下、數(shù)／模混合的電路設(shè)計(jì)；Composer工具可以方便地進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的輸入和管理；spectre／SpectreRF仿真器精度高，適合不同特點(diǎn)的電路設(shè)計(jì)；Layout工具包含了布局、交叉參考、布線、版圖驗(yàn)證、參數(shù)提取等功能；此外，virtuoso能進(jìn)行可靠的后仿真和成品率控制。

基于Virtuoso的行為仿真和系統(tǒng)規(guī)劃射頻收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最終能否成功，以及模塊指標(biāo)分配是否合理可行，都有賴于具體電路設(shè)計(jì)之前對(duì)系統(tǒng)的行為建模和計(jì)算，即所謂的行為仿真。這也是自頂向下設(shè)計(jì)模式的關(guān)鍵一步。Cadence內(nèi)置的Verilog-A和VHDL仿真器，以及混合輸入模式的仿真方法提供了這種可能性。而且，Cadence軟件免費(fèi)提供了大量的行為模型供選擇使用，對(duì)于射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，所要做的就是調(diào)用并設(shè)定各個(gè)模塊預(yù)期的指標(biāo)要求，通過仿真很快就能得到系統(tǒng)的行為特征。根據(jù)要求可以方便地修改各個(gè)模塊的指標(biāo)重新仿真，直到系統(tǒng)的行為滿足要求為止。以接收機(jī)為例，接收系統(tǒng)如圖2所示。每個(gè)模塊的指標(biāo)設(shè)定非常具體，如輸入輸出阻抗、增益、隔離度、噪聲系數(shù)NF、線性度IP3、直流偏移IP2等。仿真完成后，每個(gè)模塊的指標(biāo)分配任務(wù)也同時(shí)完成。

每個(gè)模塊用具體電路實(shí)現(xiàn)后可以逐一取代相應(yīng)的設(shè)計(jì)模塊，進(jìn)行系統(tǒng)仿真，可以看出每個(gè)模塊是否滿足系統(tǒng)的需要，進(jìn)而評(píng)估每個(gè)實(shí)際模塊對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

基于Virtuoso Spectre／SpectreRF的電路模塊仿真設(shè)計(jì)

基于上述的行為仿真結(jié)果和指標(biāo)分配結(jié)果，可以劃分系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)任務(wù)，對(duì)每個(gè)單元塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真。

LNA

LNA是射頻接收機(jī)最前端的一個(gè)有源部件，它決定了系統(tǒng)的噪聲性能。對(duì)它的要求主要是具有盡量低的NF和足夠的功率增益、好的輸入匹配，其次是高線性度和隔離度。其電路如圖3所示。利用Spectre的SP分析或Spectre RF的PSS+Pnoise分析都可以進(jìn)行NF分析。還可以利用NFmin的結(jié)果來挑選晶體管的尺寸，以使最優(yōu)源阻抗?jié)M足最小的噪聲要求。

Mixer

混頻器是收發(fā)機(jī)的核心，由于完成的是變頻工作，其主要仿真方法需采用SpectreRF仿真器。混頻器的增益、NF等與輸入輸出有關(guān)，但輸人和輸出工作在不同的頻段上，往往要在PSS分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行其它分析才能得到正確結(jié)果，如PSP、Pnoise、PAC等?；祛l器的結(jié)構(gòu)是典型雙平衡吉爾伯特。

VGA

基帶VGA由于頻率低、增益大，因此對(duì)噪聲要求不高，主要是對(duì)線性度、增益等指標(biāo)有較高的要求，SpectreRF的PSS掃描可以方便地對(duì)模塊的輸入進(jìn)行掃描并自動(dòng)對(duì)掃描曲線作延長(zhǎng)，直接標(biāo)示出線性度P1dB和IIP3的交點(diǎn)位置及數(shù)值大小，非常方便直觀。這種方法與傳統(tǒng)的two tone測(cè)試相比更加靈活高效。VGA在不同增益狀態(tài)下的IIP3指標(biāo)的仿真只需把控制寫成變量，在ADE環(huán)境中進(jìn)行掃描變量的值即可完成。所得的結(jié)果可以方便地進(jìn)行比較分析。通過調(diào)整可以獲得理想的VGA電路。甚至可以把ADE下的各種設(shè)置保存成ocean的腳本文件，利用腳本的自動(dòng)運(yùn)行，只要事先安排好各種仿真任務(wù)，cadence就能自動(dòng)完成各項(xiàng)仿真并保存數(shù)據(jù)結(jié)果。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析后能獲悉電路的性能，以此為指導(dǎo)逐步改進(jìn)，便可獲得一個(gè)滿足系統(tǒng)需要的電路模塊。 PLL模塊

PLL各模塊的仿真是一個(gè)比較有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，PLL本身是一個(gè)數(shù)字／模擬混合的模塊，但是一般都用模擬的方式設(shè)計(jì)各個(gè)模塊。PLL的仿真包含了上百項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試工作，這些仿真要用到幾乎所有Spectre和SpectreRF的仿真工具。以其中VCO和CP的仿真為例，VCO非線性的工作特點(diǎn)決定了它的噪聲計(jì)算不能以小信號(hào)的方式進(jìn)行，采用PSS+Pnoise的方式則可以準(zhǔn)確地仿真VCO的相位噪聲性能。通過掃描可以得到VCO的頻率調(diào)諧增益Kvco。

電荷泵輸出電流特性是衡量CP性能的常用曲線，CP決定了PLL環(huán)路的增益和帶內(nèi)噪聲性能。通過掃描也可以容易地得到CP在不同狀態(tài)下電流源的恒流和匹配特性。

以上所述是射頻接收機(jī)幾個(gè)典型單元模塊的電路設(shè)計(jì)仿真過程。系統(tǒng)各個(gè)單元塊的仿真是可以同時(shí)展開的，完成的模塊可以隨時(shí)代入行為系統(tǒng)來驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果。經(jīng)過若干次反復(fù)修改與驗(yàn)證，最終可以得到符合要求的接收系統(tǒng)。

溫度分析

要保證最終系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性和成品率，很關(guān)鍵的一步是在各個(gè)單元塊的設(shè)計(jì)中進(jìn)行溫度、極端情況等分析。這些功能可以在cadenceVirtuoso中通過設(shè)置不同的仿真溫度、通過仿真模型的Corner設(shè)置，以及直接使用其提供的MonteCarlo仿真工具來進(jìn)行。

射頻收發(fā)系統(tǒng)的整體電路仿真

各個(gè)模塊電路分別設(shè)計(jì)驗(yàn)證完成以后，就可以把所有模塊連成系統(tǒng)，并加上PAD、ESD等構(gòu)成一個(gè)完整的芯片系統(tǒng)，如圖4所示。對(duì)這個(gè)系統(tǒng)加上激勵(lì)進(jìn)行仿真測(cè)試，如圖5所示，可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)電路進(jìn)行仿真。如果仿真計(jì)算所用的硬件資源足夠大，可以直接對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行tran、SP、PSS，以及PSP、Pnoise、PAC等分析，獲得整個(gè)芯片的性能。如果資源不足，則可以考慮對(duì)系統(tǒng)按功能進(jìn)行分組、分塊仿真。由于分出的塊之間相對(duì)獨(dú)立，因此整體系統(tǒng)的特性與分塊仿真差別不大。

版圖設(shè)計(jì)與后仿真

在各模塊的設(shè)計(jì)指標(biāo)滿足自身及系統(tǒng)要求的基礎(chǔ)上可以開始各個(gè)模塊的版圖設(shè)計(jì)，如圖6所示。首先利用Layout-XL的元件調(diào)入功能可以直接由原理圖調(diào)入版圖元件，進(jìn)行各個(gè)模塊的粗略布局，主要是安排與其它模塊的連接端口以及一些重要元件的預(yù)布局。然后從系統(tǒng)上將所有模塊的預(yù)布局調(diào)入進(jìn)行整體布局考慮。利用Virtuoso Layout工具所具有的層次化管理和操作的特性，可以對(duì)每個(gè)模塊的安放及其與其它模塊的銜接進(jìn)行系統(tǒng)考慮。

系統(tǒng)布局以后，將邊界條件分配給每個(gè)模塊。在模塊單獨(dú)的布局過程中要遵守其邊界約定。版圖進(jìn)行到一定階段后，即可以調(diào)入到系統(tǒng)版圖中來檢查，隨時(shí)作必要的調(diào)整以滿足每個(gè)模塊的具體情況。

具體版圖繪制過程中可以充分利用Virtuoso版圖工具的強(qiáng)大功能，比如充分發(fā)揮快捷鍵功能可以使版圖設(shè)計(jì)流暢高效；利用Layout-XL的交叉參考可以隨時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的連線或因疏忽造成的短路；利用DRD的實(shí)時(shí)規(guī)則檢查可以避免絕大多數(shù)違反設(shè)計(jì)規(guī)則的布圖。

版圖的規(guī)則檢查可以采用Virtuoso的Diva工具，DRC、LVS、Extract等工作都可以在其友好的界面下完成。對(duì)于射頻電路版圖元件數(shù)規(guī)模不大的特點(diǎn)，利用Diva完成絕大部分工作是很合適的。如果想進(jìn)一步提高版圖提取和后仿真的精確度，可以考慮采用Assura工具來進(jìn)行。

結(jié)語

本文詳細(xì)討論了基于cadenceVirtuoso設(shè)計(jì)平臺(tái)的單片射頻收發(fā)集成電路的設(shè)計(jì)過程。討論了利用VirtUOSO工具完成的自頂向下、從系統(tǒng)到模塊、從前端都后端的整個(gè)設(shè)計(jì)步驟，直到實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的射頻芯片。可以看出，Virtuoso平臺(tái)工具在IC設(shè)計(jì)的各個(gè)階段所發(fā)揮的重要作用。

文中所述的單片射頻芯片設(shè)計(jì)中所采用的Virtuoso工具只是VirtUOS()家族中最常用的幾個(gè)工具，依靠他們的強(qiáng)大功能足以完成復(fù)雜的射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是性價(jià)比較高的一種解決方案。如果再結(jié)合Virtuoso的AMS、Ultrasim、VoltageStorm、ElectronStorm等工具，將會(huì)使設(shè)計(jì)效率更高，設(shè)計(jì)更精確

[1].VGAdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/VGA_2568786.html.