- 射頻集成電路CAD討論

　　通常的電路模擬使用的是以SPICE為代表的模擬技術(shù)，它支持多種仿真。但由于RFIC的特點，用這類電路模擬技術(shù)存在很多困難。

　　首先，RFIC的設計指標大多是電路處于穩(wěn)態(tài)時的指標，如功率增益、交調(diào)與畸變等，用SPICE的時域模擬必須經(jīng)過一個瞬態(tài)過程才能到達穩(wěn)態(tài)，對有較長瞬態(tài)過程的電路，要耗費大量的計算。

　　其次RFIC通常存在兩個或多個頻率或變化速度相差懸殊的信號。典型的情況是混頻器，載頻與信號頻率往往相差幾個數(shù)量級。其它如PLL的捕捉過程，振蕩器的起振過程等，用SPICE來模擬這些情況效率都很低，因模擬所需時間取決于最慢分量，而時間步長取決于最快分量。

　　另外RFIC中存在互連、封裝等分布的寄生元件，SPICE也無法處理。這些元件準確的特性要由電磁場分析給出，一般適宜在頻域中描述，不能直接用于時域中的分析。

　　最后，噪聲是決定IC系統(tǒng)性能，如信噪比，誤比特率的一個重要因素，但SPICE只能對線性放大器、且噪聲源為平穩(wěn)隨機過程的情形作噪聲分析，而對RFIC系統(tǒng)中的非線性電路，如混頻器、振蕩器，因噪聲受到大信號的調(diào)制，統(tǒng)計特性不再是平穩(wěn)的，且混頻噪聲與振蕩器的相位噪聲特性不同，不能用SPICE中線性電路的噪聲分析方法。

　　●RF電路仿真技術(shù)

　　由于上述原因，以SPICE為代表的傳統(tǒng)電路模擬無法滿足RFIC分析的需要。為此，在過去十幾年中發(fā)展了專門針對射頻與微波通信電路的模擬、仿真技術(shù)。

　　時域方法：時域仿真一般是在假設電路的穩(wěn)態(tài)相應是周期的前提下求解電路時域微分方程組，即v(0)=v(T),其中，v是節(jié)點電壓向量，T是周期，v(0)是節(jié)點電壓零時刻的初始向量，v(T)是T時刻的節(jié)點電壓向量，然后找到使方程有周期解的初始狀態(tài)v(0)。對于激勵信號是周期信號的電路，周期T是已知量，但對于振蕩電路，它的周期一般是未知的，所以除了確定v(0)外，還要確定周期T。

　　解上述方程組最常用的方法是牛頓試射法。它的基本原理是：假設電路相應的周期T已知，在某個初始狀態(tài)下，在周期T 內(nèi)對電路做傳統(tǒng)的電路瞬態(tài)分析，判斷v(0)=v(T)是否滿足，如不滿足，令v(0)=v(T)，再做瞬態(tài)分析，如此迭代下去，直到找到滿足v(0)=v(T)的初始狀態(tài)。

　　在上述過程中，要做大量的矩陣運算，因此這對電路的規(guī)模有限制，目前的仿真一般不超過300個節(jié)點。

　　試射法是時域中的方法，電路非線性的強弱或信號是否接近正弦不影響方程規(guī)模與內(nèi)存量，迭代的收斂性取決于v(T)與v(0)之間關(guān)系非線性的程度，而不是電路本身的非線性，因此對一些強非線性電路也能收斂。它的缺點是較難處理分立元件。在時域中，要想準確地計算失真，需要選擇合適地仿真允差和算法。

　　諧波平衡法：諧波平衡是一種在頻域求電路穩(wěn)態(tài)響應的方法。首先將信號表示成為傅立葉展開的形式，在節(jié)點處的各次諧波分量都列寫KCL方程組，把時域中的微分方程轉(zhuǎn)化為頻域中的代數(shù)方程，然后用牛頓迭代求解傅立葉系數(shù)。需要特別注意的是由于非線性元件的特性表示是在時域中的，因此它們的計算要先在時域中進行，再使用傅立葉變換將它們變換到頻域。而要計算時域的非線性電阻電流與非線性電容電荷，又要先用逆傅立葉變換將激勵信號V(ω)轉(zhuǎn)換到時域。

　　諧波平衡法實質(zhì)上是頻域中的非線性分析方法，適合于對非線性不強的電路做近似正弦的穩(wěn)態(tài)分析，如放大器的畸變與交調(diào)分析。當電路的非線性較強時，就要取基波的很多次諧波分量來模擬失真的正弦信號，失真越大，取的諧波次數(shù)就越多，這樣就會使方程規(guī)模增大成非線性時的另一困難是迭代時更難收斂。

　　近年來為了加快分析速度，提高效率，以適RFIC的需要，在這兩種方法的基礎上有不少新的進展，如基于Krylov子空間迭代的方法、包絡分析法、多變量偏微分方程法等。有興趣的讀者可參考有關(guān)文獻。

　　結(jié)語

　　射頻集成電路的發(fā)展方向是更高的頻率應用范圍和更寬的帶寬，這在實現(xiàn)上需要半導體技術(shù)新工藝的不斷發(fā)展，在設計中需要更加精確和可靠的CAD技術(shù)支持。