射頻電路設(shè)計(jì)的困境及對(duì)策

　　模擬電路和射頻電路歷來(lái)都制作在各自的芯片上，這樣可以更方便地在系統(tǒng)中隔離噪聲，防止耦合到電路的敏感節(jié)點(diǎn)中。工程師們把這幾類設(shè)計(jì)元件都集成在同一塊芯片上時(shí)，就不能忽視噪聲問(wèn)題。假如沒(méi)有某種形式的精確硅襯底模型，工程師們也許要到硅片從工廠退回后才會(huì)知道問(wèn)題的存在。這類產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)幾乎總是需要一個(gè)由各個(gè)工程領(lǐng)域的專家組成的小組。很少有哪個(gè)設(shè)計(jì)師既有射頻專業(yè)知識(shí)，又有模擬電路專業(yè)知識(shí)；再則，射頻電路專家和模擬電路專家使用不同的開(kāi)發(fā)工具，而且可能居住在不同的地方，從而導(dǎo)致最終芯片集成期間的困難增加。
　　每一個(gè)獨(dú)特的設(shè)計(jì)領(lǐng)域各有用于開(kāi)發(fā)和模塊測(cè)試的方法和技術(shù)。工程師們用來(lái)設(shè)計(jì)模擬電路的方法與設(shè)計(jì)數(shù)字電路的方法有著根本的差別，同樣，模擬電路與射頻電路也有明顯區(qū)別。例如，在模擬領(lǐng)域和射頻領(lǐng)域中，不存在能支持綜合的布爾代數(shù)等價(jià)物。而且，在頻率域中對(duì)數(shù)字電路塊的仿真是毫無(wú)意義的。由于這些基本的差別，在設(shè)計(jì)開(kāi)始前必須考慮到各種設(shè)計(jì)方法之間常常會(huì)不匹配。設(shè)計(jì)師幾乎總是在時(shí)間域中進(jìn)行數(shù)字設(shè)計(jì)，而在頻率域中進(jìn)行射頻設(shè)計(jì)（為了提高仿真速度）。把兩種類型的設(shè)計(jì)集成在同一塊芯片上，可能意味著整個(gè)芯片的仿真時(shí)間會(huì)拉長(zhǎng)到不現(xiàn)實(shí)的地步。在設(shè)計(jì)流程的測(cè)試階段和驗(yàn)證階段，情況也是如此。數(shù)字電路的測(cè)試不同于模擬電路的測(cè)試，同樣，設(shè)計(jì)的模擬部分也不同于射頻部分。盡管有這些問(wèn)題，但設(shè)計(jì)師們已經(jīng)開(kāi)發(fā)并將繼續(xù)開(kāi)發(fā)把所有這三個(gè)領(lǐng)域組合在一起的產(chǎn)品。
　　模擬器件 (Analog Devices) 公司射頻和無(wú)線電部的業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)總監(jiān)Doug Grant，講述了一次成功的工程開(kāi)發(fā)，雖然當(dāng)時(shí)的工具還有種種缺點(diǎn)。當(dāng)模擬器件公司決定采用直接變頻，即“零中頻”體系結(jié)構(gòu)來(lái)減少 Othello 系列射頻收發(fā)器的元件數(shù)量和成本時(shí)，設(shè)計(jì)師們必須使用各種技術(shù)來(lái)解決體系結(jié)構(gòu)問(wèn)題。直接變頻的最大問(wèn)題是直流偏移校正，特別是當(dāng)你將直接變頻應(yīng)用于時(shí)分多路復(fù)用系統(tǒng)如GSM（全球移動(dòng)通信系統(tǒng)）時(shí)更是如此，這是因?yàn)闀r(shí)分多路復(fù)用系統(tǒng)對(duì)每個(gè)突發(fā)脈沖串都必須進(jìn)行偏移補(bǔ)償，而每個(gè)突發(fā)脈沖串的偏移則各不相同。多數(shù)客戶和同行引用其他供應(yīng)商以前的失敗嘗試，都竭力勸告不要采用直接變頻。首要問(wèn)題是要通過(guò)仔細(xì)地設(shè)計(jì)發(fā)射器電路，盡可能減小偏移。設(shè)計(jì)師在射頻系統(tǒng)首先要進(jìn)行的是頻率規(guī)劃，使本振泄漏導(dǎo)致的自混頻減少至最低程度。其次是對(duì)高增益基帶放大器和濾波器進(jìn)行細(xì)心設(shè)計(jì)；這需要傳統(tǒng)的模擬電路設(shè)計(jì)工具和仿真，獲得良好的——但不是足夠好的——性能。
　　當(dāng)時(shí)工程師們?cè)黾恿藥讉€(gè)低精度數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，用以進(jìn)行軟件控制的直流偏移調(diào)整，使情況有所改善，但仍不足以應(yīng)付各種可能的情況。進(jìn)一步減小偏移需要更高的功率、更大的芯片面積，因此混合信號(hào)設(shè)計(jì)師和系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須找到一個(gè)共同的解決方案。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師建議，動(dòng)態(tài)范圍增加幾分貝是吸收殘余偏移所必不可少的。作為對(duì)此建議的響應(yīng)，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)師改進(jìn)了以前的設(shè)計(jì)，他們結(jié)合運(yùn)用模擬電路和數(shù)字電路的設(shè)計(jì)工具和仿真，使增加的功耗為最小。然后，系統(tǒng)小組與物理層軟件小組合作，利用一個(gè)不會(huì)大量增加運(yùn)算能力的、經(jīng)過(guò)改進(jìn)的偏移校正例程來(lái)完善信道補(bǔ)償算法。經(jīng)過(guò)集體努力，終于開(kāi)發(fā)出一種牢靠的直接變頻收發(fā)器。
　　射頻電路設(shè)計(jì)
　　模擬器件公司高速變換器部產(chǎn)品系列總監(jiān)Dave Robertson說(shuō)，在產(chǎn)品規(guī)劃和開(kāi)發(fā)期間，射頻電路設(shè)計(jì)師必須處理四類問(wèn)題。他們必須考慮各種商業(yè)問(wèn)題，如芯片尺寸、成品率和上市時(shí)間。他們必須考慮為產(chǎn)品打開(kāi)最大的應(yīng)用市場(chǎng)的互操作性標(biāo)準(zhǔn)。工程師們還必須考慮產(chǎn)品工作的頻率域。要使用的頻段可能是特許的，也可能是非特許的，不過(guò)，無(wú)論哪種情況，它都將受到國(guó)家機(jī)構(gòu)和國(guó)際組織的監(jiān)管。最后，設(shè)計(jì)師必須處理產(chǎn)品的物理層，因?yàn)樗麄儽仨氃谶@一層解決許多非線性問(wèn)題。
　　在系統(tǒng)級(jí)上，無(wú)線產(chǎn)品設(shè)計(jì)師必須評(píng)估系統(tǒng)的整體功能和性能，其中包括數(shù)據(jù)吞吐量、信道干擾和功耗。評(píng)估結(jié)果有助于系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師確定各種設(shè)計(jì)元件的要求和規(guī)范，供電路級(jí)設(shè)計(jì)使用。電路設(shè)計(jì)師在晶體管級(jí)實(shí)現(xiàn)每個(gè)元件，并在理想情況下應(yīng)能利用系統(tǒng)級(jí)規(guī)范作為測(cè)試基準(zhǔn)，對(duì)照系統(tǒng)要求來(lái)驗(yàn)證元件性能。在物理實(shí)現(xiàn)級(jí)，設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)出每個(gè)射頻元件的布局，并根據(jù)原始產(chǎn)品要求，把每個(gè)元件封裝在一個(gè)或多個(gè)器件中。他們必須對(duì)包括器件和互連線寄生效應(yīng)在內(nèi)的布局進(jìn)行驗(yàn)證，以確保最終的性能和可制造性。將射頻器件集成到產(chǎn)品中的設(shè)計(jì)師必須有一種能在設(shè)計(jì)完成之前評(píng)估系統(tǒng)性能的方法。
　　AWR(Applied Wave Research)公司總裁兼首席執(zhí)行官James Spoto看到了某種挑戰(zhàn)，因?yàn)樗羞@些設(shè)計(jì)領(lǐng)域或階段均被孤立的 EDA 環(huán)境和數(shù)據(jù)庫(kù)隔離開(kāi)來(lái)，并且都使用不適用于吉赫頻率的工具和模型。體系結(jié)構(gòu)模型和實(shí)際電路性能之間的相關(guān)性很差。體系結(jié)構(gòu)模型忽視射頻電路的多種缺陷，如噪聲、失真和阻抗不匹配，或與這些缺陷的近似性很差。
　　AWR 公司的Analog Office設(shè)計(jì)套件旨在緩解這個(gè)問(wèn)題。它側(cè)重于射頻收斂，并在跨越 IC 設(shè)計(jì)流（從系統(tǒng)級(jí)到電路級(jí)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證）的統(tǒng)一設(shè)計(jì)環(huán)境中提供一種互連線驅(qū)動(dòng)的、具有射頻意識(shí)的并行設(shè)計(jì)方法。它包括設(shè)計(jì)和原理圖的輸入，時(shí)間域和頻率域的仿真和分析，物理布局（帶有自動(dòng)器件級(jí)布局布線以及集成式設(shè)計(jì)規(guī)則校驗(yàn)程序）基于求解程序的 3D 全場(chǎng)提取[使用 OEA 國(guó)際公司()的技術(shù)]，以及支持射頻測(cè)量的整套波形顯示和分析功能。
　　Ansoft 公司用具有數(shù)據(jù)輸入和可視化功能以及時(shí)間、頻率和混合模式仿真的Ansoft Designer 來(lái)支持射頻電路設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)級(jí)仿真時(shí)，除了其射頻與 DSP 元件庫(kù)以外，Ansoft Designer支持編譯型和解釋型 C 和 C++ 用戶自定義模型的聯(lián)合仿真，以及Mathworks 公司的 Matlab 聯(lián)合仿真。電路仿真求解包括為獲得非線性噪聲、瞬態(tài)、數(shù)字調(diào)制、非線性穩(wěn)定性以及負(fù)載與信源拉升而進(jìn)行的分析。它還具有適用于濾波器和傳輸線的設(shè)計(jì)綜合功能。該產(chǎn)品包括一個(gè)布局與制造模塊以及一個(gè) 3D 平面電磁仿真引擎。
　　Eaglewave 公司的 Genesys套件包括原理圖輸入、若干仿真引擎、適用于一些模擬電路的綜合功能，以及生產(chǎn)和定制功能。仿真引擎支持線性電路仿真、頻譜域系統(tǒng)仿真、諧波平衡非線性仿真，以及多級(jí)平面 3D 電磁仿真。它還具有適用于傳輸線、運(yùn)算放大器濾波器、LC 濾波器、直接 LC/分布式濾波器、鎖相環(huán)、振蕩器、微波分布式濾波器以及延遲均衡和阻抗匹配電路的綜合功能。
　　Neolinear 公司為射頻電路設(shè)計(jì)師提供的是 NeoCircuit-RF。該工具具有適用于一系列射頻元件的設(shè)計(jì)輸入、仿真和綜合功能。
　　它利用 Cadence 公司的 Specctre RF 仿真程序和安捷倫公司的 ADS 仿真程序來(lái)交互地或自動(dòng)地對(duì)各種定制的射頻電路進(jìn)行尺寸調(diào)整、偏置和驗(yàn)證。工程師可以利用內(nèi)置的功能進(jìn)行測(cè)量，或者通過(guò)開(kāi)放式 API（應(yīng)用編程接口）添加自己的專有測(cè)量方法。NeoCircuit-RF 能利用 LSF()或 Grid Engine()在設(shè)計(jì)小組成員之間適當(dāng)?shù)毓芾砜捎玫膱?zhí)行許可證，從而把綜合工作分配給多臺(tái)機(jī)器。
　　許多射頻設(shè)計(jì)平臺(tái)都集成有安捷倫科技公司的 ADS(Advanced Design System)。ADS有好幾個(gè)仿真引擎，其中包括交流、直流、S-參數(shù)和諧波平衡仿真引擎，以及電路包絡(luò)仿真引擎和瞬態(tài)及會(huì)聚仿真引擎。據(jù) Dataquest 公司說(shuō)，安捷倫科技公司是射頻電路設(shè)計(jì)市場(chǎng)的領(lǐng)頭羊，這并不使人感到意外。
　　在低達(dá)幾兆赫的頻率時(shí)，射頻效應(yīng)也可能會(huì)很顯著，這取決于設(shè)計(jì)的尺寸大小。即使是幾百兆赫的時(shí)鐘頻率也會(huì)有頻率分量進(jìn)入吉赫范圍?；緯r(shí)鐘頻率的這些高頻諧波能很容易地從電路板或芯片輻射出去，從而在設(shè)計(jì)的其它部位造成噪聲和干擾問(wèn)題。目前，模擬電路設(shè)計(jì)師和數(shù)字電路設(shè)計(jì)師都看到“高頻”在其設(shè)計(jì)中造成不希望有的后果，即信號(hào)污染、串?dāng)_、襯底耦合和寄生效應(yīng)。業(yè)界使用“信號(hào)完整性”這個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)描述數(shù)字電路設(shè)計(jì)中不希望有的射頻效應(yīng)。參考文獻(xiàn) 1 介紹了多種有助于你避免其中一些問(wèn)題的EDA 工具。寄生效應(yīng)提取工具和時(shí)域仿真程序用在高頻時(shí)描述連線工作狀態(tài)的各種模型代替了理想的連線。雖然這些工具比不建立寄生效應(yīng)模型要好，但只是對(duì)連線射頻性質(zhì)的一階近似。更詳細(xì)、更精確的電磁及卷積建模軟件有助于解決設(shè)計(jì)中最重要而又最敏感的部分，但仿真花費(fèi)時(shí)間更長(zhǎng)，而且只在布局或封裝設(shè)計(jì)的小區(qū)域內(nèi)才切實(shí)可行。
　　工程師們歷來(lái)習(xí)慣在單獨(dú)而又孤立的模塊上設(shè)計(jì)射頻電路。人們要求減小手機(jī)和 PDA 等消費(fèi)電子產(chǎn)品的形狀因子，從而出現(xiàn)了帶射頻電路的印制電路板設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)取決于工作頻率。在較低的頻率時(shí)，你可以在電路板上安裝分立的射頻元件，再用阻抗可控的印制線和通孔把它們連接起來(lái)。在進(jìn)行需要較高頻率的設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師必須利用參數(shù)曲線以及預(yù)先計(jì)算的散射參數(shù)（即 S-參數(shù)）模型，才能用傳輸線和器件模型來(lái)設(shè)計(jì)所有物理元件。在縮小體積的需求驅(qū)使下，甚至出現(xiàn)了對(duì)這些預(yù)定義參數(shù)曲線的交互式修改。為了驗(yàn)證電路，你必須先使用一種 3D 電磁場(chǎng)求解程序來(lái)建立傳輸線模型。然后，你必須使用一個(gè)電路仿真程序來(lái)進(jìn)行功能驗(yàn)證。具有吉比數(shù)據(jù)速率的高速器件的集成，已經(jīng)抬高了高速電路設(shè)計(jì)和仿真的門(mén)檻，并且需要更精確的模型來(lái)描述這些器件內(nèi)部的通信體系結(jié)構(gòu)。
　　數(shù)字電路設(shè)計(jì)師習(xí)慣于把邏輯功能封裝成預(yù)先定義的元件，然后在印制電路板上把它們連接起來(lái)。工作頻率很高的射頻電路很少采用預(yù)先定義的元件；包括印制線、通孔和導(dǎo)電圖形等在內(nèi)的互連傳輸線構(gòu)成功能電路。這種方法需要對(duì)射頻電路行為更透徹的了解，而且嚴(yán)重依賴于電磁仿真程序和電路仿真程序。此外，射頻電路噪聲大且很敏感，需要進(jìn)行物理隔離。
　　高速電路設(shè)計(jì)和射頻電路設(shè)計(jì)都涉及到建立互連傳輸線的精準(zhǔn)模型。高速電路采用復(fù)雜的分立數(shù)字元件。射頻電路包含了金屬化層內(nèi)的元件，從而取消了分立元件。在射頻電路設(shè)計(jì)中，互連印制線建模復(fù)雜，需要使用 3D 電磁場(chǎng)求解程序。在射頻-模擬窄帶設(shè)計(jì)中，傳輸元件形狀為電路提供無(wú)源元件，如電容、電感和短路。這些無(wú)源元件只在所需信號(hào)工作的狹窄頻率范圍內(nèi)有用，而在其它頻率下則具有不希望有的特性。因此，一個(gè)為“射頻-模擬”設(shè)計(jì)的印刷電路板銅箔形狀僅供一個(gè)頻帶相當(dāng)窄的信號(hào)使用。雖然半導(dǎo)體廠商和 EDA 廠商都在努力開(kāi)發(fā)精確的射頻器件模型，使之能夠被有效地仿真，但多數(shù)設(shè)計(jì)師仍然依賴于射頻集成電路廠商提供的設(shè)計(jì)指南和參考設(shè)計(jì)。
　　工程師們之所以使用高速串行 I/O，乃是因?yàn)樗阅芨?、成本更低，設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單。Xilinx 公司的 RocketPHY 收發(fā)器具有 10Gbps的數(shù)據(jù)速率，允許設(shè)計(jì)師使用比傳統(tǒng)并行總線體系結(jié)構(gòu)更快的串行連接。利用數(shù)吉比串行 I/O 技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要更加注意影響信號(hào)完整性的各種問(wèn)題，如衰減、噪聲和反射。因此，工程師們必須使用通常只有射頻設(shè)計(jì)師使用的技術(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，因?yàn)榉植技纳?yīng)的確切特性對(duì)于系統(tǒng)的總體行為是至關(guān)重要的。工程師通常使用 S-參數(shù)來(lái)描述各種與傳輸線、封裝和連接器有關(guān)的寄生效應(yīng)特性。Synopsys 公司的 HSpice 仿真程序具有一整套豐富的分析功能、絕好的模型和對(duì) S-參數(shù)模型的支持。Xilinx 公司的設(shè)計(jì)師在開(kāi)發(fā) RocketPHY 收發(fā)器期間，使用 HSpice 來(lái)描述該收發(fā)器的特性。

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