第7章射频电路设计的CAD技术--无线通信射频电路技术与设计-教学-[电子教案]课件.ppt

1第7章 射频电路设计的CAD技术教学教学重点重点本章重点介绍了本章重点介绍了RFIC设计的一般流程、集成设计的一般流程、集成CAD设计环设计环境的组成及各个部分的相互关系；介绍了境的组成及各个部分的相互关系；介绍了CAD程序包的各程序包的各个特点及其内部各模拟引擎的原理特点和功能作用；介绍个特点及其内部各模拟引擎的原理特点和功能作用；介绍了电磁模拟技术和电路模拟技术；介绍了了电磁模拟技术和电路模拟技术；介绍了EM电磁模拟工电磁模拟工具；介绍了几种市场上流行的商业软件包。具；介绍了几种市场上流行的商业软件包。教学教学重点重点教学教学重点重点掌握：掌握：CAD程序包的特点；电路模拟技术的步骤和模拟方程序包的特点；电路模拟技术的步骤和模拟方 法；电磁模拟技术的步骤和模拟方法。法；电磁模拟技术的步骤和模拟方法。了解：了解：RFIC设计的一般流程、集成设计的一般流程、集成CAD环境的组成及各环境的组成及各 个部分的相互关系。个部分的相互关系。熟悉：几种市场上流行的商业软件包。熟悉：几种市场上流行的商业软件包。要求要求2本章目录v第一节 集成CAD设计平台v第二节 CAD程序包的特点v第三节 电路模拟技术v第四节 电磁模拟技术v第五节 商用CAD程序包 3知识结构射射频频电电路路设设计计的的CAD技技术术集成的集成的CAD设计平台设计平台CAD程程序包的特点序包的特点电路模电路模拟技术拟技术电磁模电磁模拟技术拟技术商用商用CAD程序包程序包谐波平衡模拟器谐波平衡模拟器支持工具支持工具原理图捕获原理图捕获层次化设计层次化设计模拟控制参数模拟控制参数电路元件库电路元件库电路优化电路优化版图版图直流模拟器直流模拟器线性模拟器线性模拟器Volterra级数级数瞬态分析瞬态分析卷积分析卷积分析噪声分析噪声分析包络分析包络分析混合模式分析混合模式分析成品率分析成品率分析电磁求解程序的要求电磁求解程序的要求EM软件软件EM模拟器的应用和局限模拟器的应用和局限EM模拟器的类型模拟器的类型数值方法数值方法EM模拟器的特性模拟器的特性优化优化EM模拟器的性能模拟器的性能商用商用EM软件包软件包AWR公司的公司的Microwave Office 2000Agilent EEsof EDA Series IVAnsoft 公司的公司的Serenade DesktopAgilent EEsof EDA ADSCadence 公司的公司的Analog ArtistOptotek公司的公司的MMICADEagleware 公司的公司的Genesys47.1 集成的CAD设计平台 现在CAD技术已成为RFIC设计流程的一个完整部分。下图为使用Cadence设计RFIC的设计流程。完整的完整的RFIC设计流程设计流程567.1 集成的CAD设计平台(2)模拟引擎子程序包 程序包所包含的模拟引擎确切数目及特点随着程序包的不同而不同。一般来说，子程序包有直流、线性、瞬态模拟器。(3)输出处理子程序包 进行仿真之后，仿真结果必须以设计者能正确解释的格式表示。第三个子程序包是对输出数据做后续处理。绝大多数商用程序包能显示矩形网格、极坐标网格和Smith圆图，各种不同的输出能加载到这些图形当中。(4)版图编辑器子程序包 在集成设计环境中，版图编辑器允许设计者通过按钮来同步生成电路图的物理版图。通常这个过程以两路方式工作，即当电路图发生变化，电路版图则自动更新，反之亦然。(5)电磁场求解程序包 当设计者希望包括不符合标准库元件的无源结构的效应及其他可能的寄生效应时，需要有用于模拟任意单层或多层平面结构效应的二维半电磁场求解程序。77.2 CAD程序包的特点(1)支持工具 为了提高设计效率，现在的CAD程序包提供了大量的综合性工具，需用时只需激活这些工具。支持工具是微波CAD程序包的一个重要附属品。虽然其结果往往是理想化的，但是，在任何设计中，它们是获得初始值的最好途径。(2)原理图捕获 现在的方法允许设计者在一个设计区域内放置电路符号，并用虚拟的线把它们互连起来。如果所有存在的元件都用适当的符号表示，产生的电路描述模拟了电路原理图。同时元件参数显示在设计区域内相应元件下方的多项文本框中，而且设计者可以设定是否将这些参数显示。(3)层次化设计 层次化的方法作为一种高效的设计方法，不仅应用于软件编程，也是将复杂电路分解成更多的可管理的元件的一种方式，是广泛应用在CAD设计中的一个有力的概念。设计者通过单独定义子电路，并仅通过参考符号把子电路导入更复杂的电路中，也就发展出了分层设计的方法。87.2 CAD程序包的特点(4)模拟控制参数 所谓模拟控制参数，也就是赋给CAD程序包并指示它如何进行模拟的参数。对这些参数的规定要么是在顶层电路原理图或者在专门的测试区中，这取决于特定的程序包。控制参数有两类：一类参数是为电路激励设置扫描范围，另一类用于改变模拟器的运行时间设置。(5)电路元件库 CAD软件包中的电路元件库为设计者提供了大量的各类元件。一般将这些元件分为四大类：通用无源元件、通用有源元件、制造商供应的元件和用户自定义的元件。(6)电路优化 所谓电路优化设计，是指在电路的性能已经基本满足设计功能和指标的基础上，为了使得电路的某些性能更为理想，在一定的约束条件下，对电路的某些参数进行调整，直到电路的性能达到要求为止。9107.3 电路模拟技术 在集成CAD软件包中，一般包含许多不同类型的分析研究RFIC电路响应的模拟引擎。电路模拟引擎的全面评述电路模拟引擎的全面评述117.3 电路模拟技术7.3.2 线性模拟器 交流仿真之前，必须为电路建立起一个静态偏置点，此时要用到直流模拟器。要做到这一点，模拟器必须将所有电路元件用其直流等效电路代替。此时，所有的电容、耦合线和间隙等效为开路，电感等效为短路。传输线等效为集总电阻，阻值由传输线的长度、横截面积和电导率决定。线性元件由它们在直流偏置下的电导代替，非线性元件由直流偏置下的解析函数代替。7.3.1 直流模拟器 当分析一个电路的稳态响应电路的行为表现不随输入RF信号电平变化而变化时的响应时，需要使用线性电路模拟器。它也可用于分析小信号激励的非线性电路。12137.3 电路模拟技术7.3.4 Volterra级数 Volterra级数分析法的CAD软件包的模拟过程有些类似于谐波平衡法。首先把非线性电路分解为线性和非线性子电路。子电路之间的互联接点处，非线性元件被分解为一个线性项和一系列非线性电流源。这样的分解代表了第Q项Volterra级数展开式。一旦定义了信号源，问题的最终解就能通过用瞬时分析法得到。电流被视为每一阶的激励。Volterra 级数分析法中的级数分析法中的(Q=3)电路划分电路划分14157.3 电路模拟技术7.3.7 噪声分析 在商用CAD软件包中，一般用有噪声的二端口元件等效表示有噪声多端口网络。当系统的激励为正弦信号时，每个二端口元件相应地可由其导纳矩阵及最小噪声系数()，噪声电阻(),最佳输入电导()和最佳输入导纳()四个参数表示。有噪声的二端口的联合等效模型有噪声的二端口的联合等效模型167.3 电路模拟技术7.3.8 包络模拟 包络模拟器使用频域和时域方法去计算一个电路对基带调制的RF输入信号的响应。这避免了纯时域仿真存在的一个主要问题：当电路由一个高频率正弦信号激励时，时间步长变得太小以至于要求过多的时间步数才能达到稳态。使用包络模拟器，时间步长仅需要满足调制信号的奈奎斯特抽样率。7.3.9 混合模拟分析 当我们需要仿真既有模拟信号又有数字信号的复杂混合系统时，显然，不可能用逻辑模拟器去仿真模拟元件，或者用瞬态模拟器在晶体管级模拟整个数字子系统。逻辑方法是用瞬态或包络模拟引擎仿真模拟电路部分，用逻辑模拟器仿真数字部分。这种方法称为联合仿真或混合模式仿真。17187.4 电磁模拟技术7.4.1 电磁求解程序的要求 在RFIC设计中，有源和无源器件，以及互连线和传输线是必不可少的基本单元。RFIC的集成度越来越高，这推动了RFIC朝多层结构的方向发展，因此在电路的不同部分之间可能会存在复杂的相互作用。同时随着电路工作频率的提高，这些作用对电路性能的影响越来越显著。目前，RFIC的建模和设计在广义上可分为4大类：RFIC建模和设计技术建模和设计技术 电磁求解程序适应以下几种情况：1、R-C时间常数效应。2、串音效应。3、多导体传输线。4、趋肤效应损耗。5、响铃效应。6、定时误差。7、不连续性效应。197.4 电磁模拟技术1、引线黏合和倒装芯片互连效应芯片到芯片间的互连芯片到芯片间的互连 图(b)所示的倒装芯片技术是图(a)的改进，它可以提高与黏合线的低通特性相关的3dB截止频率，而且去掉了串联电感，并大大减小了并联电容。207.4 电磁模拟技术2、设计库的局限性 由于电路元件可能不在设计范围之内，或者复合的混合模型不符合要求，导致使用经验模式工具或设计库不足以令人满意的特征化许多无源电路元件的特性。使用电路模拟元件的简单螺旋电感模型使用电路模拟元件的简单螺旋电感模型217.4 电磁模拟技术3、地电流 当连接不同厚度的RFIC芯片或者在不同载体上的RFIC芯片时，可能会改变传输线的特征阻抗。这是由于芯片间可能存在间隙，通常这些间隙可以有效的被模拟为串接到基片地平面的一个电感，从而导致传输线的特征阻抗的改变。在高频时地电流会导致大的的阻抗失配问题。4、RF吸收材料 吸收材料的使用量一定要适中，一方面由于使用太少的吸收材料可能不足以吸收掉谐振场，而过多的吸收材料会增加传输线损耗，导致增益降低，噪声系数增大，并且降低输出功率和效率。RF吸收材料的作用是除去腔体谐振模式。227.4 电磁模拟技术7.4.2 EM软件 EM模拟器一般更适宜设计成交互性的，目的是为了允许用户在软件环境中进行实验。就像在车间制造RFIC时使用网络分析仪器做实验，不需要处理实际的硬件。这要求软件包的循环计算速度非常高。一般说来，计算速度主要取决于以下三个因素：1求解EM问题所选择的数值方法。2用于实现该数值计算的计算机算法。3主机的CPU处理速度。电路和电路和EM模拟器的比较模拟器的比较23247.4 电磁模拟技术7.4.5 数值方法数值分析技术是三维EM模拟器求解麦克斯韦方程组的基本方法。EM仿真方法的比较仿真方法的比较257.4 电磁模拟技术7.4.6 EM模拟器的特性 市场上流行的各种EM模拟器虽然使用的求解方法不尽相同，具有不同类型的图形用户界面，但是，它们内在的基本原理是相同的。EM模拟器的流程图模拟器的流程图EM仿真过程仿真过程267.4 电磁模拟技术1、项目建立 在同一个工程设计中，将产生如绘图文件、数值文件、日志文件等许多不同的文件。因此，建立一个专用的项目文件夹用于组织管理和在不同的项目之间导航是非常必要的，这也是应用一个EM模拟器的第一步。2、建立仿真最普遍的边界有以下四种：(1)端口：它是允许能量流进或流出结构区域的边界条件。(2)理想的H边界：这代表一个理想的磁场边界，此外磁场被强 制垂直于指定边界。(3)理想的E边界：这代表一个理想的电场边界，此外电场被强制垂直于指定边界。(4)对称平面：如果一个结构具有几何和EM对称性，则存在对称平面。27287.4 电磁模拟技术7.4.8 商用EM软件包 市场上的EM模拟软件通常以两种形式出现：全三维EM模拟器和三维平面模拟器。下表列出了每个模拟器的特点。EM模拟器摘要模拟器摘要297.5 商用CAD程序包 各软件包中集成模拟器清单如表7.7所示。很多情况下，可根据用户需求配置这些软件包的子模块。商业电路商业电路CAD程序包总要程序包总要30