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專家解惑 | 如何高(gāo)效精確地設計射頻前端模組電路 (一)

作為一名射頻前端設計的(de)工程師,大(dà)家肯定都有過這樣的(de)疑惑:我究竟是做(zuò) IC 設計的(de),還是做(zuò)闆級電路設計的(de)?如果是前者,為什(shén)麼我們做(zuò)模擬不跑 corner,不跑蒙地卡羅,甚至連個精確的(de)電晶體模型都沒有,每天要花大(dà)量的(de)時間在實驗室裡面做(zuò)調試工作。錫膏、烙鐵、鑷子是我們每天都要見到的(de)好朋友。如果是後者,我交付給客戶的(de)必須是一片沒有任何瑕疵的(de)晶片,每一個管腳都要正確定義,每一個指標都要嚴格過關,甚至還要說明(míng)客戶負責週邊電路的(de)設計和(hé)調試。

但不知大(dà)家想過沒有:我們為什(shén)麼會有這樣的(de)疑惑?為什(shén)麼我們不能像普通(tōng)的(de) CMOS 積體電路設計流程那樣:搭框架 -> 跑模擬 -> 調參數 -> 投片 - > 封裝測試 -> 交付?為什(shén)麼我們不能把主要的(de)設計精力花在模擬階段,透過對電路的(de)精確設計和(hé)參數的(de)精準把握定位問題、分(fēn)析問題、解決問題。而需要花費大(dà)量的(de)精力在實驗室裡面,面對各種未知的(de)情況,透過反復的(de)預估、猜想、驗證來進行調試?而大(dà)量測試儀器的(de)花費,也(yě)是一筆不小的(de)開支。

圖 1:繁瑣的(de)實驗室調試

面對摩爾定律的(de)終結,異質積體電路由於其優良的(de)性能及強大(dà)的(de)相容性越來越被業界重視。作為異質積體電路的(de)先驅,射頻前端模組一直是其中最重要的(de)一個組成部分(fēn)。麻雀雖小,五臟俱全。一個幾毫米乘幾毫米的(de)前端模組裡面,包含了(le)好幾種不同工藝的(de)裸片:CMOS、GaAs、SMD、SOI、IPD、MEMS 等等。而從數量上來講,好幾片甚至十幾片尺寸不同、材料不同、厚度不同甚至封裝工藝不同的(de)裸片要放到一個封裝中,還要通(tōng)過各種高(gāo)低溫可(kě)靠性測試,這無論對設計者還是封裝測試的(de)人(rén)來講,都是一個極大(dà)的(de)挑戰。

圖 2:不同工藝裸片構成的(de)前端整合模組

而從電路模擬上來講,無論是晶圓廠、基闆廠還是封裝廠,甚至小到一個普通(tōng)的(de) SMD 器件的(de)生產廠商,都無法從根本上提供一個精確而有快(kuài)速的(de)模擬模型。一是因為射頻功率電路本身的(de)複雜性,電路的(de)性能與其存在的(de)環境密切相關:電磁環境、熱環境、材料環境等等。單單靠某一廠商的(de)努力,即使提供了(le)所謂精確的(de)模擬模型,也(yě)無法保證在實驗室或者客戶的(de)環境下(xià)的(de)各種性能優良。二是因為本身模型提取的(de)難度,因為無論器件的(de) RF 模型還是熱模型,都與電路的(de) Layout 密切相關。而如何定義模型與模擬工具的(de)邊界也(yě)是一個業界的(de)難題。

圖 3:電路工作中複雜的(de)電熱環境

同時,也(yě)有一些 EDA 工具廠商針對這些問題給出了(le)一些解決方案。但目前依舊沒有任何一個完整的(de)設計模擬平台能夠將這些設計、模擬、版圖工作放到一個統一的(de)整合環境下(xià)來完成。工程師需要在不同的(de)工具平台間不停切換,進行大(dà)量的(de)資料導入匯出的(de)工作。這也(yě)是一個費時費力的(de)工作,大(dà)大(dà)降低了(le)工程師的(de)工作效率。

圖 4:前端射頻模組設計中需要不同設計模擬平台之間的(de)切換

由此可(kě)見,要想在模擬階段完成主要的(de)射頻前端電路的(de)設計,需要整個業界的(de)共同努力。而作為 EDA 行業的(de)領跑者,Cadence 目前推出一款基於 Virtuoso 平台的(de)射頻前端全整合設計模擬工具,針對射頻前端設計的(de)各種問題,基本解決了(le)從設計到模擬的(de)一體化(huà)問題。並與各大(dà)晶圓廠合作,共同研發與他(tā)們工具相容的(de)器件模型及 PDK,從而達到真正的(de)協同模擬。

關於如何利用(yòng) Virtuoso 平台實現這一目標,我們將在未來幾篇文章(zhāng)中陸續探討,請大(dà)家繼續關注。

譯文授權轉載出處

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