Virtuoso平台的单片射频收发系统电路仿真与版图设计

1、【Word版本下载可任意编辑】 Virtuoso平台的单片射频收发系统电路仿真与版图设计 基于Virtuoso的行为仿真和系统规划射频收发系统的设计终能否成功，以及模块指标分配是否合理可行，都有赖于具体电路设计之前对系统的行为建模和计算，即所谓的行为仿真。这也是自顶向下设计模式的关键一步。Cadence内置的Verilog-A和VHDL仿真器，以及混合输入模式的仿真方法提供了这种可能性。而且，Cadence软件提供了大量的行为模型供选择使用，对于射频系统设计，所要做的就是调用并设定各个模块预期的指标要求，通过仿真很快就能得到系统的行为特征。根据要求可以方便地修改各个模块的指标重新仿真，直到系统

2、的行为满足要求为止。以接收机为例，接收系统如图2所示。每个模块的指标设定非常具体，如输入输出阻抗、增益、隔离度、噪声系数NF、线性度IP3、直流偏移IP2等。仿真完成后，每个模块的指标分配任务也同时完成。 每个模块用具体电路实现后可以逐一取代相应的设计模块，开展系统仿真，可以看出每个模块是否满足系统的需要，进而评估每个实际模块对系统性能的影响。 基于Virtuoso SpectreSpectreRF的电路模块仿真设计 基于上述的行为仿真结果和指标分配结果，可以划分系统模块设计任务，对每个单元块分别开展设计仿真。 LNA LNA是射频接收机前端的一个有源部件，它决定了系统的噪声性能。对它的要求主

3、要是具有尽量低的NF和足够的功率增益、好的输入匹配，其次是高线性度和隔离度。其电路如图3所示。利用Spectre的SP分析或Spectre RF的PSS+Pnoise分析都可以开展NF分析。还可以利用NFmin的结果来挑选晶体管的尺寸，以使源阻抗满足的噪声要求。 Mixer 混频器是收发机的，由于完成的是变频工作，其主要仿真方法需采用SpectreRF仿真器。混频器的增益、NF等与输入输出有关，但输人和输出工作在不同的频段上，往往要在PSS分析的根底上开展其它分析才能得到正确结果，如PSP、Pnoise、PAC等。混频器的构造是典型双平衡吉尔伯特。 VGA 基带VGA由于频率低、增益大，因此对

4、噪声要求不高，主要是对线性度、增益等指标有较高的要求，SpectreRF的PSS扫描可以方便地对模块的输入开展扫描并自动对扫描曲线作延长，直接标示出线性度P1dB和IIP3的交点位置及数值大小，非常方便直观。这种方法与传统的two tone测试相比更加灵活高效。VGA在不同增益状态下的IIP3指标的仿真只需把控制写成变量，在ADE环境中开展扫描变量的值即可完成。所得的结果可以方便地开展比较分析。通过调整可以获得理想的VGA电路。甚至可以把ADE下的各种设置保存成ocean的脚本文件，利用脚本的自动运行，只要事先安排好各种仿真任务，cadence就能自动完成各项仿真并保存数据结果。对数据开展比较

5、分析后能得悉电路的性能，以此为指导逐步改良，便可获得一个满足系统需要的电路模块。 PLL模块 PLL各模块的仿真是一个比较有挑战性的任务，PLL本身是一个数字模拟混合的模块，但是一般都用模拟的方式设计各个模块。PLL的仿真包含了上百项指标的测试工作，这些仿真要用到几乎所有Spectre和SpectreRF的仿真工具。以其中VCO和CP的仿真为例，VCO非线性的工作特点决定了它的噪声计算不能以小信号的方式开展，采用PSS+Pnoise的方式则可以准确地仿真VCO的相位噪声性能。通过扫描可以得到VCO的频率调谐增益Kvco。 电荷泵输出电流特性是衡量CP性能的常用曲线，CP决定了PLL环路的增益和

6、带内噪声性能。通过扫描也可以容易地得到CP在不同状态下电流源的恒流和匹配特性。 以上所述是射频接收机几个典型单元模块的电路设计仿真过程。系统各个单元块的仿真是可以同时展开的，完成的模块可以随时代入行为系统来验证设计结果。经过若干次反复修改与验证，终可以得到符合要求的接收系统。 温度分析 要保证终系统设计的可靠性和成品率，很关键的一步是在各个单元块的设计中开展温度、极端情况等分析。这些功能可以在cadenceVirtuoso中通过设置不同的仿真温度、通过仿真模型的Corner设置，以及直接使用其提供的MonteCarlo仿真工具来开展。 射频收发系统的整体电路仿真 各个模块电路分别设计验证完成以

7、后，就可以把所有模块连成系统，并加上PAD、ESD等构成一个完整的芯片系统，如图4所示。对这个系统加上激励开展仿真测试，如图5所示，可以对整个系统电路开展仿真。如果仿真计算所用的硬件资源足够大，可以直接对系统开展tran、SP、PSS，以及PSP、Pnoise、PAC等分析，获得整个芯片的性能。如果资源缺陷，则可以考虑对系统按功能开展分组、分块仿真。由于分出的块之间相对独立，因此整体系统的特性与分块仿真差异不大。 版图设计与后仿真 在各模块的设计指标满足自身及系统要求的根底上可以开始各个模块的版图设计，如图6所示。首先利用Layout-XL的元件调入功能可以直接由原理图调入版图元件，开展各个模

8、块的粗略布局，主要是安排与其它模块的连接端口以及一些重要元件的预布局。然后从系统上将所有模块的预布局调入开展整体布局考虑。利用Virtuoso Layout工具所具有的层次化管理和操作的特性，可以对每个模块的安放及其与其它模块的衔接开展系统考虑。 系统布局以后，将边界条件分配给每个模块。在模块单独的布局过程中要遵守其边界约定。版图开展到一定阶段后，即可以调入到系统版图中来检查，随时作必要的调整以满足每个模块的具体情况。 具体版图绘制过程中可以充分利用Virtuoso版图工具的强大功能，比方充分发挥快捷键功能可以使版图设计流畅高效；利用Layout-XL的交叉参考可以随时发现错误的连线或因疏忽造

9、成的短路；利用DRD的实时规则检查可以防止绝大多数违反设计规则的布图。 版图的规则检查可以采用Virtuoso的Diva工具，DRC、LVS、Extract等工作都可以在其友好的界面下完成。对于射频电路版图元件数规模不大的特点，利用Diva完成绝大部分工作是很合适的。如果想进一步提高版图提取和后仿真的度，可以考虑采用Assura工具来开展。 结语 本文详细讨论了基于cadenceVirtuoso设计平台的单片射频收发集成电路的设计过程。讨论了利用VirtUOSO工具完成的自顶向下、从系统到模块、从前端都后端的整个设计步骤，直到实现一个完整的射频芯片。可以看出，Virtuoso平台工具在IC设计的各个阶段所发挥的重要作用。 文中所述的单片射频芯片设计中