不斷發(fā)展的通信標準（如LTE-A和5G）正在推動RF架構(gòu)創(chuàng)新,，因此,，在小型化、性能和對通過提高頻譜效率來提高數(shù)據(jù)吞吐量的技術(shù)支持方面,，給RF前端模塊設計帶來了挑戰(zhàn),。
為了滿足多模和多頻手機對更高性能和更小元件尺寸的需求，業(yè)界正在將模塊集成策略從單一封裝中的類似構(gòu)建模塊轉(zhuǎn)換為采用基于多種技術(shù)的多功能前端,。這些開發(fā)工作針對每個頻率范圍的,、基于單個完全集成的RF模塊產(chǎn)品，包括多模/多頻功率放大器（PA）,、雙工器和RF開關(guān)等,。
通常情況下，模塊和子系統(tǒng)設計人員在設計中會使用多種技術(shù),。這些技術(shù)包括砷化鎵（GaAs）和氮化鎵（GaN）單片微波集成電路（MMIC）,，硅RFIC和多層層壓板。每種技術(shù)都封裝在一個特定的工藝設計套件（PDK）中,，并會詳細說明制造工藝和前端構(gòu)建模塊（組件庫）的電氣和物理屬性,。
支持多個PDK和電路/電磁（EM）協(xié)同仿真的多技術(shù)設計流程用于分析體聲波（BAW）和表面聲波（SAW）濾波器之間的電相互作用（基于等效電路模型）和多層層壓封裝。它可提供全面的模塊分析和優(yōu)化,。但是,，開發(fā)硅RFIC開關(guān)、低噪聲放大器（LNA）和PA時,，情況會有所不同,，需要采用針對性更強的開發(fā)工具。
本文介紹了一種現(xiàn)代設計流程,，它將PDK轉(zhuǎn)換為可在NI AWR設計平臺中進行仿真的流程,，以支持芯片封裝協(xié)同設計和EM驗證。通過將設計導入到可與PDK一起使用的動態(tài)庫中,，設計人員能夠使用最初在完全不同的環(huán)境中創(chuàng)建的復雜設計,，基于不同的技術(shù)有效地開發(fā)產(chǎn)品。
為特定需求設計的EDA工具
設計人員根據(jù)個人喜好和特定工具的功能,，使用不同的射頻EDA工具來處理單個或一組設計任務,。一些工具專注于高頻MMIC,、PCB和模塊設計，如Microwave Office電路設計軟件,。其他廠商,，如Cadence的應用目標是基于硅的RFIC和模塊設計。由于這些工具中的每一個都有各自的優(yōu)勢,，因此最好采用那些支持互操作性和信息交換的設計流程,，以便設計人員可以為每個設計任務選擇最佳工具。
為了支持不同環(huán)境之間的數(shù)據(jù)交換,，已經(jīng)開發(fā)了幾種行業(yè)標準文件格式,，例如touchstone（SNP）和測量數(shù)據(jù)交換格式（MDIF）文件。touchstone文件提供S參數(shù),，即網(wǎng)絡的小信號模擬或測量頻率響應,。MDIF文件允許通過無限數(shù)量的獨立變量（如頻率或柵極電壓）對S參數(shù)或噪聲等數(shù)據(jù)進行排序。這些格式允許設計人員在其仿真中對器件（例如RFIC或開關(guān)）的線性響應進行建模,，并輕松地在設計工具之間來回傳遞該模型,。
多諧波模型（有時也稱為Keysight X參數(shù)）類似于S參數(shù)，增加了模擬大信號工作條件下的非線性行為的能力,。在不同設計工具之間使用的其他數(shù)據(jù)格式包括用于電路塊的Spice網(wǎng)表,，用于原理圖信息的交換文件格式（IFF），以及諸如GDSII和DXF的布局格式,。
這些標準格式可以充分發(fā)揮作用,，但它們各有其局限性。例如,，S參數(shù)用于線性模擬,，它們不適用于非線性模擬。一些RF模擬器只能使用雙端口MDIF文件,。大信號多諧波模型可能需要很長時間才能生成和模擬,，文件往往很大，難以共享,。而對于X參數(shù)來說,，文件可以是千兆字節(jié)。
模塊和子系統(tǒng)設計人員面臨的挑戰(zhàn)
對于集成了使用各種工具開發(fā)的多種技術(shù)的RF模塊,，由于整體設計任務的復雜性,，對工具之間更大互操作性的需求往往超出簡單的數(shù)據(jù)格式兼容性。前端模塊和其他多技術(shù)設備可在單個層壓模塊上包含多達25個集成電路,，包括BAW和SAW濾波器,、III-V RF MMIC PA，以及具有多個天線的硅開關(guān)和硅LNA。在本文的設計實例中,，硅開關(guān)和LNA是在Cadence工具中設計的,，聲學/層壓濾波器是在Microwave Office軟件中完成的。圖1所示為典型的多芯片模塊設計,。
圖1：Microwave Office軟件環(huán)境下的典型模塊設計
為交換機設計人員創(chuàng)建所有所需開關(guān)狀態(tài)所需的文件非常耗時,。該過程可能容易出錯，因為需要支持RFIC涵蓋的250多個狀態(tài),。對于touchstone文件,，僅捕獲線性行為。對于開關(guān)甚至聲學濾波器而言,，至關(guān)重要的非線性行為需要由較大的多諧波文件捕獲。隨著RFIC分析和S參數(shù)文件生成,，每個狀態(tài)需要7分鐘,，而一個開關(guān)操作有68個狀態(tài)，另一個有25個狀態(tài),，這時,，需要投入大量的時間，一般情況下,，一個操作過程會花費數(shù)小時甚至數(shù)天,。
Cadence Virtuoso和NI AWR軟件協(xié)同仿真流程
本文介紹的解決方案利用了直接在Microwave Office軟件中支持Cadence設計的新功能。圖2所示即為此流程,。在這里,，基于Microwave Office的Spectre網(wǎng)表轉(zhuǎn)換的設計流程可以使Virtuoso和NI AWR軟件協(xié)同仿真。
圖2：NI AWR設計平臺中用于協(xié)同仿真的Cadence Spectre轉(zhuǎn)換流程
通過采用硅工藝PDK并通過Spectre設計網(wǎng)表將其傳輸?shù)組icrowave Office軟件中,，設計人員可以訪問所有NI AWR設計環(huán)境工具,，從而實現(xiàn)該流程。這些工具包括Visual System Simulator（VSS）系統(tǒng)設計軟件,，Microwave Office線性和非線性仿真,，APLAC諧波平衡和瞬態(tài)仿真，NI AWR布局工具,，以及AXIEM 3D平面和Analyst 3D finite-element method (FEM)EM仿真器,。
圖3所示為具有片上濾波器的雙極/八擲（DP8T）硅開關(guān)的Virtuoso原理圖，其關(guān)鍵部件是天線開關(guān)模塊（ASM）,，它有6種不同的開關(guān)狀態(tài),。
圖3：Cadence Virtuoso開關(guān)原理圖
網(wǎng)表和運行
使用“Netlist and Run”命令將創(chuàng)建NI AWR軟件轉(zhuǎn)換所需的文件。由于此命令是在測試平臺運行的,，因此要轉(zhuǎn)換的實際上是一個子電路,。創(chuàng)建的最關(guān)鍵文件是input.scs，其中包含所有相關(guān)的Cadence原理圖信息,。
運行“Import Spectre Netlist Design”腳本將打開一個簡單的用戶界面對話框,。這種開關(guān)設計（大約2,000行網(wǎng)表）的翻譯大約需要一秒鐘,。翻譯完成后，可以在任何設計中使用兩個組件：一個用于流程,，另一個用于實際設計,。
還要生成一個日志文件，為設計人員和設計支持團隊提供有關(guān)已翻譯的單元格,，使用的庫以及測試平臺模擬的更詳細信息,。該轉(zhuǎn)換包括原始設計中的微帶線（MLIN）元素，它提供了設計中傳輸線中色散和損耗的精確建模,。此外,，還會捕獲Cadence側(cè)包含S參數(shù)塊的任何文件的目錄路徑。
轉(zhuǎn)換開關(guān)設計完成后,，用戶將兩個新的PDK加載到Microwave Office軟件中的新項目或現(xiàn)有項目中：翻譯的Cadence代工廠PDK（csoi7rf Global foundries PDK,，見圖4左側(cè)）和設計PDK（RF-Core，見圖4右側(cè)）,。RF Core文件提供了原理圖元素和設計塊,。這些PDK將提供模擬所需的三個簡單的NI AWR軟件庫元素。
圖4：翻譯的Cadence代工廠PDK（左）和設計PDK（右）出現(xiàn)在元素樹庫中,，可以插入任何NI AWR軟件設計中
新的庫元素可通過標準“拖放”放置到Microwave Office電路設計軟件原理圖中,，就像任何其他原理圖元素一樣。如圖5中的原理圖所示,，PROCESS塊用于引用代工廠PDK制程,，并允許用戶更改process corners。使用DESIGN塊,，用戶可以訪問Cadence設計中的任何設計變量,。
圖5：在此Microwave Office原理圖中可以看到PROCESS塊（代工廠PDK制程）和Cadence設計的設計變量的DESIGN塊
在圖中右側(cè)，翻譯的組件有大約20個端口,。DESIGN模塊用來控制開關(guān)狀態(tài)的位置（在本例中設置為6）,，以及控制開關(guān)狀態(tài)的兩個電壓。左上角的PROCESS塊（在圖的左側(cè)突出顯示）為設計人員提供了指定process corners的能力,，這對于IC設計非常重要,。
為了驗證在Microwave Office中模擬的網(wǎng)表轉(zhuǎn)換與原始Spectre結(jié)果的頻率響應，將測試用例Spectre模擬的S參數(shù)導入Microwave Office進行比較,。驗證設置實際上與包含已翻譯網(wǎng)表的原理圖測試臺相同,。對于此仿真，子電路包含直接從Cadence導出的touchstone S參數(shù)塊,。
比較小信號結(jié)果
圖6所示為NI AWR軟件模擬的小信號結(jié)果與Spectre結(jié)果的比較情況,，這由整個頻帶上的S參數(shù)表示。正如所料，結(jié)果顯示兩個結(jié)果確切一致,。
圖6：將NI AWR軟件模擬的小信號結(jié)果與Spectre結(jié)果進行比較
補充分析
現(xiàn)在已經(jīng)驗證了設計轉(zhuǎn)換,，可以使用開關(guān)執(zhí)行許多其他仿真，包括掃描process corners,，調(diào)整/掃描開關(guān)狀態(tài),，以及調(diào)整/掃描控制電壓。導入的RFIC就像常規(guī)的Microwave Office元素一樣,。在圖7的左側(cè),，已將掃描process corners與直接從Cadence獲取的參考數(shù)據(jù)進行比較，顯示出了process corners的影響和模擬器之間的重疊,。
圖7：現(xiàn)在可以使用開關(guān)運行其他模擬,，因為它的行為類似于常規(guī)的Microwave Office元素
圖7的右側(cè)顯示了在該示例中針對不同開關(guān)狀態(tài)（通過路徑）的模擬插入損耗。RFIC通過6種不同的開關(guān)狀態(tài)進行控制,，顯示了取決于開關(guān)狀態(tài)的不同響應,。設計人員現(xiàn)在可以根據(jù)精確的RFIC模型開發(fā)層壓板設計細節(jié)，通過參數(shù)設置輕松改變狀態(tài),，可以實現(xiàn)調(diào)整或掃描。
此外,，由于開關(guān)設計是常規(guī)的Microwave Office子電路,，它可以與任何其他Microwave Office元件，EM結(jié)構(gòu),，數(shù)據(jù)文件等組合,。可以將多種技術(shù)組合到一個Microwave Office項目中,，實現(xiàn)跨技術(shù)的協(xié)同仿真以及布局集成,。單個疊層模塊可以包含并組合硅開關(guān)、III-V PA RFIC,、聲學濾波器等,。最終的集成設計布局包括聲學濾波器、硅器件,、GaAs-PA和模塊,。
分配布局
開關(guān)布局也可以以GDSII等標準格式從Virtuoso導出并導入NI AWR軟件，然后可以與原理圖子電路關(guān)聯(lián)或鏈接,，以確保正確的布局連接（見圖8）,。布局幾何形狀是相同的，顏色根據(jù)偏好而不同,。
圖8：開關(guān)布局可以從Cadence Virtuoso導出并導入到NI AWR軟件中,，然后可以與原理圖子電路關(guān)聯(lián)或鏈接，以確保正確的布局連接
結(jié)論
本文介紹了一種集成設計流程，用于將源自不同軟件工具的多種技術(shù)組合到一個項目中,，實現(xiàn)仿真和布局設計工具之間的協(xié)同仿真,。該流程不僅可以使設計人員集成不同的半導體和封裝（層壓）技術(shù)，還可以利用最初在RFIC設計環(huán)境中創(chuàng)建的復雜設計,，并將其集成到專門用于MMIC,、RF PCB和模塊開發(fā)的設計環(huán)境中。最終的集成設計布局包括4種不同的技術(shù)：聲學濾波器,，硅器件,，GaAs PA和模塊。