频域周期或大或小信号分析。
Pradeep Thiagarajan和斯科特•盖顿
我们生活的世界是复杂电子系统连接,将功能完美地满足消费者的需求。功能违反超出一定的公差水平让人皱眉头和产品的质量水平产生负面影响。这些系统所需功能准确,配合其他相互依赖的系统。ICs是这些系统的核心,模拟和数字信号需要共存来完成所需的功能。此外,对增强连接的需求更多和更快的访问数据将继续推动技术向更高的数据速率和增加功能。设计师面临紧迫的期限覆盖性能,创建竞争电路满足严格的规范力量,噪音,和可靠性。有一个不断推动减少硅re-spins和需要高度精确的验证。专门分析超出典型方法对模拟电路需要考虑。
而先进的处理技术提供的好处低权力和更高的性能,设计师必须获得更多的创新来解决日益增长的设计复杂性由于各种各样的因素。突出的影响力与噪声电路密度更高的脆弱性,降低电源电压水平,增加设备和互连寄生电阻和电容。正确硅制造之前验证这些设计,专业的无线电频率(RF)分析需要准确预测硅高性能射频模拟引擎的行为是必要的。单一和多频谐波平衡分析是必不可少的在解决这些挑战线性和适度非线性周期电路(如LNA、PA、混合器、Rx Tx,等等),以及一些最常见的构件包括配装(LC-tank环)和振荡器(晶体、清债信托公司等)。
为什么不直接运行传统AC, DC,瞬态,和瞬态噪声分析?为什么需要一个射频和周期性分析引擎吗?为了回答这个问题,我们首先需要了解什么是射频。射频频率适用于3千赫至300兆赫之间。一个子集从30兆赫到300兆赫是毫米波。这些无形的波浪在我们周围我们沉浸与最新的技术进步在移动通信和网络的世界。任何系统的分析处理这些频率需要占信号建立时间和噪音影响从内部和周围的系统,可能会干扰其他信号系统。
一些设计师可能熟悉瞬态噪声分析(TN)的使用模型很简单。它产生嘈杂的瞬态波形生成的随机噪声的电路元素包括电阻和晶体管。波形通常可以位noise-related指标。TN分析是一种有效的方法,非周期电路锁相环和adc因为周期分析可能不是可行的或可能很难收敛。然而,对于周期性的驱动和自治电路,射频分析是一个可行的选择。运行TN的缺点包括更长的仿真时间,后处理所需关注,没有识别噪声贡献者。
随着移动和无线应用程序、设备噪声可能是一个限制因素在满足日益严格的目标规格射频模块。传统香料模拟器不能用于预测这种类型的周期性噪声自长瞬态需要允许电路来解决。它还需要几个模拟和后处理步骤繁琐且易于用户错误。传统香料也不能准确地确定噪声在搅拌机等射频电路,恢复,频率分隔器,振荡器或锁相环。噪声计算香料是基于小信号线性化分析电路的直流操作点,这种线性化影响适当频率的翻译由于电路非线性噪声。
在我们的经验中,我们发现许多设计师发现射频分析混淆,甚至恐吓,因为它并不像传统那样简单分析。让我们更深入研究。
今天,两个主要射频分析方法是时域引擎(射击牛顿或SN)和频域引擎(谐波平衡或HB)来验证周期为线性电路,噪音,并获得。这两种方法都有其优势和局限性。必须应用最合适的方法,分析和选择最大化吞吐量的要求精度tapeout之前获得最大覆盖率和信心。
可以被认为是一个扩展周期稳态分析香料的操作点分析。在香料,你应用电路和直流信号模拟器计算稳态解。解决方案是直流操作点执行后续的小信号分析。在一个周期稳态大信号分析,驱动电路与一个或多个周期的来源。稳态响应的响应结果在任何瞬态效应消失。大信号的解决方案是小信号分析的起点,包括定期交流,定期传递函数,周期性噪声、周期稳定,周期性的散射参数分析。
设计师参考周期稳态分析在时域和相应的频域符号“PSS HB。“下面的图1展示了迭代方法SN和HB的区别。后计算直流操作点和一些初始瞬态稳定运行时间(tstab),我们假设tstab接近周期性的稳定状态。在SN,我们开始在时域迭代求解周期稳态解。HB,另一方面,在频域迭代解聚合稳态解使用基尔霍夫电流定律(氯化钾)标准。虽然使用PSS的时域视图可以显示网络电压波形、频率域视图使用HB可以显示输出功率在特定加载各种谐波。
图1:射击牛顿与谐波平衡计算窗口。
射频分析非常适合周期性和自治电路驱动。驱动电路是由周期性时变独立源和周期解。电路的稳态响应与基本周期也是周期性的。搅拌机、分规、低噪声放大器、传输和接收链,和功率放大器驱动电路的常见例子。相比之下,自治电路包含non-time-varying独立的来源。由于正反馈一个自治电路振荡,导致稳态振荡。周期性的自治电路产生周期性时变输出non-time-varying来源。电路的稳态波形都是相同的基本周期的周期。环形振荡器,LC-tank振荡器和晶体振荡器是周期性的自治电路。
典型测量射频分析关注电压增益(dB),能力(dBm)和线性效应(如P1dB 1 dB压缩点和IP3三阶截点)。噪声的影响也可以准确地测量,噪声系数和噪声指数指标。通过频域时域抖动也可以看到长期和短期变化阶段,在相位波的频率成反比。相位噪声在dBc / Hz是另一个强大的度量,然后可以位相关应用程序看到的均方根抖动广泛用于构建抖动预算系统。
谐波平衡非常适合设计有许多活性成分以及电路的时间常数大的周期模拟频率相比,如色散传输线。许多最好的线性模型在频域在高频率。使用的例子包括确定电压或电流的频谱含量,计算IP3,总谐波失真(THD)和互调失真组件,执行非线性噪声分析,放大器和load-pull分析等。
拍摄牛顿非常适合大多数周期驱动电路,特别是非线性电路与急剧的转变如switched-cap过滤器、分频器和相位频率检测器。振子,如环和晶体,也可以是目标电路。SN容纳大量的谐波。然而,运行时和内存使用量增加随着时间点或音调。SN通常是低于HB适度为线性或非线性电路。
乙肝是一种频域分析技术在非线性电路与系统模拟失真。从本质上讲,它计算非线性微分方程的稳态响应。它始于氯化钾在频域,选择数量的谐波。一个正弦信号应用于非线性组件将产生谐波的基本频率。假设是,解决方案可以用正弦信号的线性组合之后,电压和电流正弦曲线平衡满足基尔霍夫定律。
HB分析是最适用于电路表现出线性适度非线性行为,要求数值精度高和动态范围,如列表的参数和使用频域模型。它通常是首选的方法模拟电路最自然在频域处理模拟射频和微波等设计与正弦信号兴奋。
执行HB模拟,您只需要指定一个或多个基本的频率和顺序为每个基本频率。高频电路模拟的上下文中,HB提供许多好处超过传统的时域瞬态分析,在它得到频域电压和电流,直接计算稳态光谱内容电路的电压或电流。瞬态分析所需的频率整合在许多实际情况下是禁止的。
西门子EDA的模拟FastSPICE平台(AFS)是一个仿真技术,提供了优越的nm-accurate电路模拟、混合信号仿真,全方位设备噪声分析。AFS由世界领先的铸造厂铸造认证提供香料准确性。它支持行业标准网表的语法和无缝地集成到行业EDA设计环境。在AFS RF引擎支持拍摄牛顿和谐波平衡方法与最近的创新。silicon-accurate表征,AFS平台包括一个全面的全方位设备噪声分析和集成了Solido变异设计师提供完整variation-aware设计覆盖数量级减少模拟,但是蛮力技术的准确性。
最近宣布的模拟FastSPICE极端(AFS XT)技术进一步提高性能对于大型布线后的网表。没有额外费用现有的和新的客户。AFS XT可以处理3亿多个元素瞬时容量与交响乐混合信号,并将混合信号仿真平台。
大信号的AFS谐波平衡套件包括HB分析和小信号交流,传递函数,噪音、稳定性、和散射参数分析。虽然单音支持自治电路、驱动电路和多频支持驱动电路。它最适用于电路具有高动态范围,为适度线性和非线性电路和电路与分布式元素。
AFS HB解决进一步通过自动化智能算法优化性能和收敛性。AFS HB利用多线程能力额外的加速性能和单一的核心业务。AFS多核并行特性(MCP)加速这些模拟3.5 x 7 x通过有效地使用多核共享内存的机器进行蒙特卡罗模拟扫,角落。
下面的表1总结了AFS射频谐波平衡。
表1:AFS谐波平衡分析。
大信号HB分析确定为单频周期时变操作点,和准周期时变操作点多的基调。所有的信号都必须co-periodic基本频率。找到一个周期稳态解,上市后小信号分析可以运行。
小信号汇总
实现适当的收敛HB可以为复杂的设计是一个挑战。放松收敛参数是一个逻辑的方法,但需要精度。此外,验证的复杂性增加而增加谐波。网表中提取进一步介绍图表相比更加融合的复杂性。能力是指网络列表中包含的元素数量包括主动和被动设备,寄生元素,等等,如图2所示,AFS射频分析可以很容易地处理设计元素高数。能够处理大型网表为射频分析是至关重要的,特别是当我们朝着先进的流程节点。
图2:AFS射频HB能力的例子。
最终,快没有精度损失的模拟是需要满足激进的设计期限。图3显示了运行时和内存使用率的好处的例子AFS XT AFS的广泛的电路。
图3:比较AFS和AFS XT(值大于1.0意味着加快AFS XT和更少的内存利用率与AFS XT)。
定期和自治电路驱动,明智地选择你的分析引擎的功能和好处AFS射频引擎提供拍摄牛顿和谐波平衡。西门子EDA的模拟FastSPICE平台提供了一个单频、多频分析和谐波平衡引擎提供了性能优越的收敛精度的前提下。大信号的谐波平衡套件包括HB分析和各种各样的小信号分析。进一步利用AFS射频HB的多线程能力额外加速设计需要大量的清洁工,角落和统计分析。
引用
解决方案架构主管斯科特•盖顿是西门子EDA。
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