针对芯片中模拟/射频模块验证问题的验证工具设计 - 全文

目前最先进的模拟和射频电路，正广泛应用于消费电子产品、无线通讯设备、计算机和网络设备的SoC中。它们带来了一系列验证方面的挑战，而这些挑战往往是传统SPICE、FastSPICE和射频仿真软件无法完全解决的。这些挑战包括：多于10万个器件的设计复杂度、大于几GHz的时钟主频、纳米级的CMOS工艺技术、低功耗、工艺变化、非常明显的非线性效应、极度复杂的噪声环境以及无线/有线通讯协议的支持问题。

在现如今大多数传统的电路仿真软件开发时，这些挑战都还没有存在。在很多情况下，当今的模拟和射频电路在流片之前的验证工作往往就是收敛性和精度的问题。现有的验证流程并没有很好地跟上设计复杂程度的变化，因此，对于全定制的模拟/射频子系统芯片来说，设计团队往往需要花上几周甚至几个月的时间进行验证。设计者往往倾向于使用过于保守的设计方法，导致设计不够完全优化，增加了验证时间。因此，模拟/射频验证技术的不足是导致这些芯片推迟量产的主要原因。

传统的SPICE模拟器不再能够满足要求。新的验证工具要求SPICE提供高精度的噪声分析、更快的验证速度，以及增加的容量。Berkeley设计自动化公司的精确电路分析工具展示了解决当今复杂验证问题的能力。本文将回顾面向消费、无线、计算机和网络应用的SoC中的模拟/射频验证技术存在的问题，并探讨新技术如何能够帮助领先的半导体公司显著降低产品验证时间，从而迅速投入批量生产。

模拟/射频验证

遇到的巨大挑战

基于SPICE仿真的验证流程对于小规模的模拟/射频模块来说很有效。但是，由于SoC中要集成的模拟功能越来越多，同时，便携式无线以及消费设备市场中还在不断涌现新的功能模块，因此，模拟/射频模块的复杂度在高速增长。传统用于小型模拟/射频模块的验证流程已经不能有效地应用在那些复杂的大型模拟/射频电路中。仿真往往需要几天到几周，在许多情况下，甚至无法收敛。

模拟电路已从原来的上百个器件增长到现在的10几万个器件。设计现在分为多层次和多模块，通常会将无源器件集成

在相同的衬底上。因此，仿真器需要有对全电路进行功能仿真的能力。目前，电路频率从MHz提高到了数GHz。周期性分析成为许多高速模拟电路应用的一个重要要求。仿真器需要很好地处理瞬态和周期性分析，以更好地预测芯片实际的工作性能。

另外，目前的射频电路无一例外地转向多工作频率的方式，频率之间的差别会达到几个数量级，如集成了VCO（压控振荡器）、混频器等的收发器芯片。仿真器必须能够高效率地执行瞬态分析，以适应那些有多个工作频率而且频率之间差别很大的电路。

工艺技术的不断发展和演变是验证问题日益严重的另外一个原因。模拟和射频电路从以前的微米级工艺（如双极工艺）转变为现在的CMOS纳米级工艺。在纳米级工艺中，圆片间和圆片内的工艺参数变化会极大地影响电路性能和良率。自动校准技术能够帮助解决这一问题，但代价就是额外的设计复杂度和设计面积的增大。因此，对于中等规模的电路来说，仿真器需要具有SPICE的精确性和高性能，以进行各种工艺角和蒙特卡洛分析。

在这些高性能的复杂电路中，互连线和PCB板会显著影响电路在GHz频率的工作表现，特别是在纳米级的CMOS工艺下，影响更加明显。寄生参数分析非常必要，用于找出敏感的模块，并验证其在周围环境中的互连情况。因此，对于具有多模块的电路来说，仿真器需要具有像SPICE那样能够在布局后进行高效寄生参数提取的能力，同时也包括对PCB板布线的处理。

最后，器件固有噪声（如热噪声和闪烁噪声）以及其它数字/模拟/射频电路引起的外部噪声已经演变为一阶效应。器件的噪声能显著影响重要的模拟和射频电路模块， 如ADC、VCO、PLL等。仿真器必须能够提供精确的内部分析和外部分析，包括随机噪声源和确定噪声源。

目前电路仿真工具的局限

目前来自设计团队的主要抱怨是，对于那些复杂的模块设计和全电路验证来说，能够很好地为小型模拟和射频电路工作的传统SPICE仿真流程已经无法满足要求。对于小模块设计，设计师依靠晶体管级的SPICE仿真，能够充分精确地验证他们的小电路模块。他们通常进行电路仿真、布局后仿真、参数变化分析（工艺角和蒙特卡洛分析），还包括封装电感和传输线效应分析、噪声分析（确定的热噪声和闪烁噪声）和射频电路的周期性分析。这些仿真能够保证电路的功能和性能，而且对于小模块来说，能够大大减少芯片不工作的风险。

但是，对于相对规模较大的设计来说，如果设计师想得到同样充分精确的SPICE仿真，那将是一件无法完成的任务。用传统的SPICE仿真器对大型模块，如PLL或多通道DC-DC转换器进行瞬态分析，可能需要几天或几周。另外，在许多情况下，这些仿真器很难在直流静态工作点获得收敛。

数字FastSPICE仿真器是大型数字电路设计的另外一个选择，但它们不能解决模拟/射频电路的验证挑战。FastSPICE仿真器往往利用简化的假定和估计来提高仿真速度，所需的代价就是要牺牲精确性。但很多时候，精确度对于模拟和射频应用来说是非常重要的。

验证工具

Berkeley设计自动化公司的精确电路分析（PCA）技术使电路设计师能够快速分析和验证问题，这往往是利用其它工具所无法实现的。结合在应用数学和优化数值分析上取得的研究成果，公司开发了此项技术。该技术具有与SPICE相当的精确性、5倍~10倍的性能提升，以及优异的直流和周期性稳态收敛特性。新工具无需针对特定的模块进行微调，而且和目前所有主流的SPICE仿真器、射频仿真器，以及它们的设计环境兼容。此工具的有效性已经被超过100个芯片的设计所证明，涉及的工艺流程从0.5mm到65nm。

和数字FastSPICE仿真器不同，精确电路分析技术不做简化的假定或估计。它对原始电路最基本的器件方程进行求解，其精确性甚至会超越SPICE仿真器。这意味着，它不需要仿真器在模块级对电路进行微调，因此在电路的每个节点上都能提供充分的精确性。每次仿真都是对电路性能的充分仿真。这项技术的重大突破在于解决了一系列新出现的验证问题。

精确电路分析产品线主要包括以下3种工具：

模拟FastSPICE：可提供SPICE级别的精确电路仿真，速度提升5倍~10倍，具有优秀的直流静态工作点收敛性能，并不需要仿真器对模块进行微调;

射频FastSPICE：可提供SPICE级别的精确电路周期性分析，速度提升5倍~10倍，具有优越的周期稳态收敛性能和硅精确的振荡噪声分析;

PLL噪声分析器：随机非线性引擎能提供快速的闭环整数N PLL噪声分析，和实际芯片相比，精确度在~1dB以内。

模拟FastSPICE使用精确电路分析多速率瞬态引擎，和SPICE相比，它能提供鲁棒性很强的直流静态工作点收敛性能、SPICE级别的精确性和更快的速度。其应用领域包括任何要求SPICE级精确度的瞬态仿真。模拟FastSPICE已经被大量电路设计所采用，包括802.11a/b/g收发器、ADC、包括带隙基准电压源和偏置电路的自动增益控制设计、高速I/O和数GHz的PLL，这些应用实例均证明了模拟FastSPICE具有优越的性能。

具体性能

使用新工具来检验当今领先的消费、无线设备、计算机和网络设备等产品的电路设计时的一些性能结果如表1所示。对于列出的具有代表性的电路，新工具的瞬态仿真具有SPICE级别的精确性。

这些电路的复杂程度涵盖了两个数量级，应用包括无线收发器、复杂的模拟/混合信号芯片和消费芯片等。所有这些都是以原来的测试平台和电路配置进行的设计。所有这些结果均不需要仿真器的模块级微调。对于各个设计，电路设计师将重要信号的波形和重要节点的测量与目前使用的SPICE仿真器得出的结果进行比较，从而证明了新工具具有SPICE级别的精确度。

结语

流片前芯片中模拟/射频模块的验证问题对于设计团队来说是一个巨大的挑战。现有的仿真流程不能与设计复杂度同步发展，结果导致对于模拟/射频子系统来说，设计师必须花费数周甚至数月的时间来进行系统验证。传统的SPICE不再能满足要求。而Berkeley设计自动化公司的精确电路分析工具及其结果展示出其打破瓶颈并足以解决这些复杂验证问题的能力。