Введение

Организация оборонной науки и техники (DST, филиал Министерства обороны Австралии) недавно сообщила о создании широкополосного приёмника (рисунок 1) в диапазоне 25-45 ГГц со следующими характеристиками: коэффициент шума менее 6 дБ, неравномерность усиления не более ±1 дБ, точка пересечения 3 порядка на входе более 0 дБм и подавление зеркальных помех более 30 дБ. В данной статье будет описан процесс оптимизации конструкции для соответствия этим характеристикам в полосе от 25 до 45 ГГц при помощи NIAWRDesignEnvironment и, в частности, модуля AnalogOffice, предназначенного для проектирования, электромагнитного (ЭМ) анализа и высокоэффективной оптимизации радиочастотных интегральных схем (РЧИС). В данном проекте для ЭМ моделирования сложных структур на основе сплава кремния и германия (SiGe) с многослойной металлизацией использовался планарный симулятор AXIEM, позволявший учитывать возможное паразитное влияние пассивных компонентов и межсоединений на общие характеристики РЧИС.

Рисунок 1: Фотография кристалла приёмника на основе SiGe для диапазона 25-45 ГГц, спроектированного в AnalogOffice.

Подход к решению задачи

Для успешного проектирования интегральных схем разработчику необходимы специальные библиотеки компонентов и техпроцессов от производителя, наличие которых позволит провести качественное моделирование характеристик элементов схемы и создать её физическое воплощение, соответствующее будущему реальному устройству. Несмотря на то, что библиотеки выбранных инженерами DSTполупроводниковых компонентов включали в состав такие базовые элементы, как гетеробиполярные и КМОП-транзисторы, резисторы, конденсаторы, диоды и контактные площадки, для реализации сложного проекта приёмника им потребовались дополнительные модели. Недостающие структуры было решено создать в виде параметризованных ячеек PCell в AnalogOffice как дополнение к моделям библиотеки производителя компонентов. Ячейки PCell значительно расширяют возможности библиотек, упрощая процесс проектирования за счёт автоматизации создания топологии (рисунок 2) в противовес трудоёмким ручным методам. Помимо экономии времени, использование PCellпозволило повысить точность топологического рисунка благодаря устранению потенциальных ошибок, неизбежно возникающих при ручном вводе данных.

 

Рисунок 2: Пользовательские ячейки PCells(здесь – на примере развязывающего конденсатора) позволяют увеличить точность топологии и упростить её создание для сложных многослойных проектов на основе SiGe. Размер массива может быть запросто изменён простым перетаскиванием границы области ячейки.

Ещё одним преимуществом создания пользовательской библиотеки стала организация структур в стандартные ячейки – например, многофазные RC-фильтры, трансформаторы, линии передачи, развязывающие конденсаторы, ВЧ контактные и ESD-защищённые площадки. Создание стандартных ячеек позволило всем разработчикам использовать одни и те же элементы конструкции. Любые изменения параметров компонента или его топологии сохранялись в библиотеке, при этом происходило автоматическое обновление компонента для всех использующих его разработчиков. Таким образом, передача проекта в производство происходила гладко даже при участии менее опытных инженеров.

 

Рисунок 3: Топология трёхкаскадного многофазного RC-фильтра в AXIEM. Возможность выбора конфигурации кольца и использования многослойной разводки позволила получить хорошие характеристики, подтверждённые электродинамическим моделированием.

Все пассивные компоненты схемы моделировались как отдельные структуры при помощи AXIEM, при этом на верхнем уровне иерархии остался лишь гетеробиполярный транзистор с межсоединениями. В проекте активно использовались трансформаторы, библиотеки которых были разработаны с помощью AXIEM, тем самым снимая необходимость в импорте модели или файла S-параметров из сторонних ЭМ симуляторов. Созданные в схемотехническом редакторе ячейки PCellпереносились напрямую в ЭМ симулятор, благодаря чему разработчику не требовалось подробно описывать конфигурацию пассивных структур для электромагнитного моделирования, а все изменения в схеме автоматически транслировались в ЭМ структуру. Помимо этого, синхронизация схемотехнического и электромагнитного моделирования позволяла не отвлекаться на импорт и экспорт данных после каждой итерации симуляции.

Параметризация отдельных ячеек поддерживает автоматическое и контролируемое пользователем изменение размеров любой структуры PCell. В качестве примера, в данном проекте радиус трансформатора был задан переменным при моделировании в AXIEM, при этом по результатам анализа была построена библиотека S-параметров MDIF, и полученная параметризованная ячейка могла использоваться в конструкции приёмника (риунок 4).

 

Рисунок 4: PCell-ячейка трансформатора (слева) является параметризованной. Правила предобработки фигур автоматически подобрали необходимые настройки ЭМ симуляции, чтобы обеспечить правильное построение сетки упрощённой структуры (справа).

Для автоматического преобразования сложной топологии РЧИС в упрощённую форму разработчики использовали набор правил предобработки фигур. Эти правила обеспечивают оптимальное построение сетки в таких элементах топологии, как массивы межслойных перемычек или проводящие жилы. Такой подход позволяет не только сократить время моделирования, но и обеспечивает достаточную точность подобной аппроксимации.

Заключение

Разработанная в DSTинтегральная схема приёмника на основе SiGeбыла успешно спроектирована при помощи AnalogOfficeи AXIEM, после чего передана в производство. Интегрированная среда проектирования и тесная синхронизация данных между модулями программного обеспечения позволили команде разработчиков эффективно использовать одни и те же инструменты проектирования, включая созданные библиотеки компонентов, для различных участков проекта, при этом все изменения в структуре элементов автоматически передавались каждому участнику проекта. Результаты измерений параметров приёмника были опубликованы в сборнике докладов конференции European Microwave Week (http://ieeexplore.ieee.org/document/7777475/).