基于Virtuoso平臺的單片射頻收發(fā)系統(tǒng)電路設計

摘要：本文基于對Cadance Virtuoso 平臺的研究，結合單片射頻收發(fā)芯片的設計實踐，討論了利用Virtuoso 完成的自頂向下、從系統(tǒng)到模塊、從前端到后端的整個設計流程，最終實現了一個完整的射頻芯片。
關鍵詞：Cadence Virtuoso；自頂向下設計流程；單片射頻收發(fā)芯片

引言

在當前通信市場的帶動下，通信技術飛速向前發(fā)展，手持無線通信終端成為其中的熱門應用之一。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、可變增益放大器，以及提供本振所需的頻率綜合器等單元模塊，如圖1 所示。對于工作在射頻環(huán)境的電路系統(tǒng)，如2.4G 或5G 的WLAN 應用，系統(tǒng)中要包含射頻前端的小信號噪聲敏感電路、對基帶低頻大信號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)頻率綜合器中的數字塊，以及非線性特性的VCO等各具特點的電路。眾多的電路單元及其豐富的特點必然要求在這種系統(tǒng)的設計過程中有一個功能豐富且強大的設計平臺。在綜合比較后，本文選定了Cadence Virtuoso 全定制IC 設計工具。

圖1 典型的射頻收發(fā)系統(tǒng)

Virtuoso 是Cadence 公司推出的用于模擬/數字混合電路仿真和射頻電路仿真的專業(yè)軟件。基于此平臺，Cadence 公司還開發(fā)了面向射頻設計的新技術，包括射頻提取技術、針對無線芯片設計的兩個新設計流程。不僅如此，目前的Virtuoso 已經整合了來自合作伙伴安捷倫、CoWare、Helic 和Mathworks 等公司的技術，射頻設計能力大為增強。使用該項新技術，可以減少設計反復，并縮短產品上市時間。其AMS 工具可以實現自頂向下、數/?；旌系?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/電路設計">電路設計；Composer 工具可以方便地進行電路設計的輸入和管理；Spectre/SpectreRF 仿真器精度高，適合不同特點的電路設計；Layout工具包含了布局、交叉參考、布線、版圖驗證、參數提取等功能；此外，Virtuoso能進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)的設計最終能否成功，以及模塊指標分配是否合理可行，都有賴于具體電路設計之前對系統(tǒng)的行為建模和計算，即所謂的行為仿真。這也是自頂向下設計模式的關鍵一步。Cadence 內置的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 軟件免費提供了大量的行為模型供選擇使用，對于射頻系統(tǒng)設計，所要做的就是調用并設定各個模塊預期的指標要求，通過仿真很快就能得到系統(tǒng)的行為特征。根據要求可以方便地修改各個模塊的指標重新仿真，直到系統(tǒng)的行為滿足要求為止。以接收機為例，接收系統(tǒng)如圖2所示。每個模塊的指標設定非常具體，如輸入輸出阻抗、增益、隔離度、噪聲系數NF、線性度IP3、直流偏移IP2等。仿真完成后，每個模塊的指標分配任務也同時完成。

圖2 基于Verilog-A 的接收系統(tǒng)行為仿真

每個模塊用具體電路實現后可以逐一取代相應的設計模塊，進行系統(tǒng)仿真，可以看出每個模塊是否滿足系統(tǒng)的需要，進而評估每個實際模塊對系統(tǒng)性能的影響。

基于Virtuoso Spectre/SpectreRF 的電路模塊仿真設計
基于上述的行為仿真結果和指標分配結果，可以劃分系統(tǒng)模塊設計任務，對每個單元塊分別進行設計仿真。

LNA
LNA 是射頻接收機最前端的一個有源部件，它決定了系統(tǒng)的噪聲性能。對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SpectreRF 的PSS+Pnoise 分析都可以進行NF分析。還可以利用NFmin 的結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。

圖3 LNA 電路原理圖

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

VGA
基帶VGA 由于頻率低、增益大，因此對噪聲要求不高，主要是對線性度、增益等指標有較高的要求，SpectreRF 的PSS 掃描可以方便地對模塊的輸入進行掃描并自動對掃描曲線作延長，直接標示出線性度P1dB 和IIP3 的交點位置及數值大小，非常方便直觀。這種方法與傳統(tǒng)的two tone 測試相比更加靈活高效。VGA 在不同增益狀態(tài)下的IIP3 指標的仿真只需把控制寫成變量，在ADE 環(huán)境中進行掃描變量的值即可完成。所得的結果可以方便地進行比較分析。通過調整可以獲得理想的VGA 電路。甚至可以把ADE下的各種設置保存成ocean 的腳本文件，利用腳本的自動運行，只要事先安排好各種仿真任務，Cadence就能自動完成各項仿真并保存數據結果。對數據進行比較分析后能獲悉電路的性能，以此為指導逐步改進，便可獲得一個滿足系統(tǒng)需要的電路模塊。

PLL 模塊
PLL 各模塊的仿真是一個比較有挑戰(zhàn)性的任務，PLL 本身是一個數字/模擬混合的模塊，但是一般都用模擬的方式設計各個模塊。PLL 的仿真包含了上百項指標的測試工作，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非線性的工作特點決定了它的噪聲計算不能以小信號的方式進行，采用PSS+Pnoise的方式則可以準確地仿真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幾個典型單元模塊的電路設計仿真過程。系統(tǒng)各個單元塊的仿真是可以同時展開的，完成的模塊可以隨時代入行為系統(tǒng)來驗證設計結果。經過若干次反復修改與驗證，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)設計的可靠性和成品率，很關鍵的一步是在各個單元塊的設計中進行溫度、極端情況等分析。這些功能可以在Cadence Virtuoso中通過設置不同的仿真溫度、通過仿真模型的Corner 設置，以及直接使用其提供的MonteCarlo 仿真工具來進行。

圖4 系統(tǒng)電路圖 圖5 系統(tǒng)的電路測試設置

射頻收發(fā)系統(tǒng)的整體電路仿真
各個模塊電路分別設計驗證完成以后，就可以把所有模塊連成系統(tǒng)，并加上PAD、ESD 等構成一個完整的芯片系統(tǒng)，如圖4所示。對這個系統(tǒng)加上激勵進行仿真測試，如圖5所示，可以對整個系統(tǒng)電路進行仿真。如果仿真計算所用的硬件資源足夠大，可以直接對系統(tǒng)進行tran、SP、PSS，以及PSP、Pnoise、PAC 等分析，獲得整個芯片的性能。如果資源不足，則可以考慮對系統(tǒng)按功能進行分組、分塊仿真。由于分出的塊之間相對獨立，因此整體系統(tǒng)的特性與分塊仿真差別不大。

版圖設計與后仿真
在各模塊的設計指標滿足自身及系統(tǒng)要求的基礎上可以開始各個模塊的版圖設計，如圖6所示。首先利用Layout-XL 的元件調入功能可以直接由原理圖調入版圖元件，進行各個模塊的粗略布局，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布局。然后從系統(tǒng)上將所有模塊的預布局調入進行整體布局考慮。利用Virtuoso Layout 工具所具有的層次化管理和操作的特性，可以對每個模塊的安放及其與其它模塊的銜接進行系統(tǒng)考慮。

圖6 單片射頻收發(fā)芯片版圖設計

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

具體版圖繪制過程中可以充分利用Virtuoso 版圖工具的強大功能，比如充分發(fā)揮快捷鍵功能可以使版圖設計流暢高效；利用Layout-XL 的交叉參考可以隨時發(fā)現錯誤的連線或因疏忽造成的短路；利用DRD 的實時規(guī)則檢查可以避免絕大多數違反設計規(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。對于射頻電路版圖元件數規(guī)模不大的特點，利用Diva 完成絕大部分工作是很合適的。如果想進一步提高版圖提取和后仿真的精確度，可以考慮采用Assura 工具來進行。

結語
本文詳細討論了基于Cadence Virtuoso 設計平臺的單片射頻收發(fā)集成電路的設計過程。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設計步驟，直到實現一個完整的射頻芯片?？梢钥闯?，Virtuoso 平臺工具在IC 設計的各個階段所發(fā)揮的重要作用。

文中所述的單片射頻芯片設計中所采用的Virtuoso工具只是Virtuoso 家族中最常用的幾個工具，依靠他們的強大功能足以完成復雜的射頻系統(tǒng)設計，是性價比較高的一種解決方案。如果再結合Virtuoso 的AMS、UltraSim、VoltageStorm、ElectronStorm等工具，將會使設計效率更高，設計更精確。

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