САПР для беспроводных систем
В статье рассматриваются возможности современных СаПР, которые позволяют разработчикам ВЧ- и СВЧ-приложений рассчитывать цепи, моделировать системы, осуществлять анализ электромагнитной обстановки (ЭМО) и проектировать топологию в стандартных средах. Статья является переводом.
Программное обеспечение для анализа и проектирования превратилось в основной инструмент разработки беспроводных цепей и систем. Эти инструментальные средства обеспечивают экономичное и эффективное проектирование широкого ряда приложений промышленного, потребительского и военного назначения. Кроме того, во многих случаях это программное обеспечение позволяет значительно сократить циклы проектирования изделий. Изначально САПР, которые появились почти одновременно с созданием компьютеров, не играли существенной роли в проектирования цепей, а их применение было трудоемким. Большая часть разработки осуществлялась в те времена с помощью карандаша и логарифмической линейки. Поначалу на рынке ПО для моделирования предлагались только такие компьютерные программы как SPICE и ECAP. Программа SPICE, которая появилась в середине 1970-х гг., представляла собой разработку Калифорнийского университета в Беркли. SPICE выполняла нелинейный анализ во временной области, но не позволяла рассчитать параметры линий передачи данных или рассеивания. По сути, SPICE была непригодна для проектирования ВЧ-приложений. В настоящее время Spice3, самую последнюю версию этой программы, можно найти на сайте этого университета наряду с руководством пользователя. В свою очередь, программа ECAP не содержала моделей транзисторов (у пользователя не было возможности генерировать собственные модули и создавать для них список связей) и не позволяла рассчитывать шумы или нелинейности. К 1970-м гг. вычислительная техника была настолько усовершенствована, что стала работать с модернизированными инструментальными средствами автоматического проектирования. Одним из катализаторов использования этих средств стало появление серии PDP компьютеров VAX от компании Digital Equipment Corp. (DEC). Эти «миникомпьютеры» занимали пространство большого офиса и имели широкий ряд функций, использовавшихся в т.ч. для проектирования интегральных схем (ИС). Эти вычислительные системы и уровень обработки данных, которым они располагали, позволил сделать большой шаг в направлении дальнейшего совершенствования возможностей САПР. Изменения в области высокочастотных технологий стали вторым фактором, обусловившим развитие инструментальных средств автоматического проектирования. До 1960-х гг. практически все СВЧ-компоненты создавались в виде волноводных структур или полосковых линий, получаемых в результате механической обработки. В 1970–80-х гг. намного более широкое распространение получили гибридные СВЧ-компоненты, разрабатывавшиеся с помощью программноаппаратных средств, но их проектирование было достаточно приблизительным и требовало доработки «вручную». Наконец, были созданы программные средства для проектов и этого типа. Одним из достижений того времени стало появление программного обеспечения COMPACT. Сначала оно запускалось на универсальных электронно-вычислительных машинах в режиме разделения времени, а затем — на компьютерах VAX от DEC. На рисунке 1 показана гибридная схема 30-ГГц смесителя на подложке из плавленого кварца, разработанная в 1980-х гг. с помощью САПР. Отдельные части этой схемы были получены с помощью САПР, а вся схема в целом не моделировалась. Топология была разработана специалистом с помощью масштабного чертежа, что, к счастью, не привело к ошибкам в этом случае. По мере совершенствования гибридных устройств и их исполнения в виде ИС стало очевидным, что подход «сделай и доработай» не годится. Основная проблема заключалась не столько в схемотехническом анализе, сколько в моделировании элементов схемы. Например, полосковая линия передачи и Т-образные элементы, где происходит скачкообразное (ступенчатое) изменение характеристик, не описывались достаточно хорошо, хотя эти структуры оказывают существенное влияние на высокочастотные цепи. Точное проектирование, как правило, было невозможно.
Рисунок 1
Эпоха 1980-х гг.: 30-ГГц смеситель на под- ложке из плавленого кварца
Эпоха интеграции
Отсутствие интеграции между средствами автоматического проектирования неизбежно привело к неудовлетворительной реализации решений. Как правило, электрическая часть проекта передавалась разработчику топологии, который создавал микросхему или топологию гибридного устройства в графическом программном обеспечении. На этом этапе часто выявлялась та или иная проблема проектирования (например, несоответствие между компонентом или структурой схемы и топологией), после чего выполнялась доработка, состоявшая, как правило, из нескольких итераций моделирования топологии и цепей. На доработку уходило много времени и средств. Кроме того, этот процесс был подвержен ошибкам. Основной проблемой такого подхода было то, что каждое отдельное инструментальное средство выполняло анализ одного типа, например проектирование схемы, анализ электромагнитной обстановки, моделирование системы или топологии. Большая часть отведенного на проектирование времени тратилась на работу с этими отдельными инструментами и перемещение данных между ними. Например, на раннем этапе проектирования было трудно выявить проблему топологии или ошибку моделирования ЭМО. Очевидным решением стало объединить эти средства таким образом, чтобы создание моделей топологии, системы и анализ электромагнитной обстановки выполнялись одновременно с работой над электрической частью проекта. Первоначально при объединении инструментов САПР прилагались усилия по созданию такой программы, которая управляла бы всеми этими инструментами и перемещала данные между ними. Однако из-за больших различий между специализированными средствами эта программа была негибкой, технически ограниченной и делала ошибки. Основная причина неудач заключалась в том, что изначально не предусматривалась возможность интеграции этих инструментов. Чтобы обеспечить совместимость этих продуктов, необходимо изначально предусмотреть эту возможность. Новые инструменты уже были лишены этих недостатков и обеспечивали намного лучшую совместимость друг с другом. Кроме того, с появлением таких технологий как объектноориентированное проектирование и объектная модель программных компонентов (Component Object Model, COM) от Microsoft повысилась универсальность и совместимость разных программных модулей.
Рисунок 2
Эта электромагнитная модель ступенчатого перехода с микрополосковыми линиями передачи на подложке из окиси алюминия толщиной 0,625 мм сравнивается с результатами полного электромагнитного моделирования в диапазоне 5–30 ГГц. Результаты моделирования очень хорошо соответствуют друг другу за исключением величин вблизи 30 ГГц из-за паразитных мод
Современное проектирование
В прошлом скорость вычислений САПР была чуть ли не основной характеристикой, представлявшей интерес для разработчиков. Это легко понять, поскольку ограниченная производительность компьютеров и недостатки систем программного обеспечения в значительной мере осложняли анализ многих типов, особенно моделирование электромагнитной обстановки. Однако по мере усовершенствования характеристик программного обеспечения и компьютеров стало очевидно, что время разработки и ее стоимость, главным образом, определяются скоростью прохождения маршрута проектирования. Например, выяснилось, что при переходе со средств автоматизированного проектирования военных систем ВЧ/СВЧ-диапазонов на коммерческие продукты время вывода изделий на рынок увеличилось, и многие возможности были упущены. Цена этих упущений оказалась намного больше прямых расходов на проектирование систем. Ускорение проектирования не означает бессмысленного наращивания скорости процесса программной обработки данных — оно является результатом сглаживания маршрута проектирования. Чтобы этого добиться, необходимо тщательно разрабатывать программное обеспечение для всей системы, а не только программные средства моделирования. В идеале проектирование электрической схемы, электромагнитной обстановки и топологии осуществляется одновременно, а итерации между этими процессами отсутствуют, благодаря чему маршрут проектирования становится непрерывным, а стоимость разработки значительно снижается. На эффективность современного проектирования влияет ряд различных характеристик системы моделирования, к которым относятся точные модели электромагнитной обстановки, тесная интеграция между симуляторами электромагнитной обстановки и цепей, а также с системными симуляторами, совместимость топологий и цепей, а также расширенные графические функции. Симуляторы ЭМО по-прежнему оказывают существенное влияние на время, отведенное на реализацию проекта. Использование даже высокопроизводительного симулятора электромагнитной обстановки на каждом этапе проектирования микрополосковой структуры и Т-образных соединений — бесполезная трата времени. Гораздо эффективнее заблаговременно проанализировать такие структуры, собрать результаты в виде соответствующих таблиц данных и воспользоваться ими при необходимости. Модели неоднородностей, содержащие базу данных с результатами симуляции ЭМО, реализуются быстро и точно. На рисунке 2 показана характеристика S11 большого ступенчатого перехода и микрополосковых межсоединений, полученная с помощью модели ЭМО и полного электромагнитного (ЭМ) моделирования. Очевидно, электромагнитная модель существенно отличается от результата полного ЭМ-моделирования только на частотах, где из-за паразитных мод нецелесообразно использование подложки из оксида алюминия толщиной 0,625 мм. В эпоху появления средств моделирования ЭМО требовалось перезаписывать структуру для симулятора ЭМО и вручную передавать сгенерированные S-параметры в симулятор цепей. В результате возникало немало ошибок. Современные симуляторы обращаются с моделируемой структурой как с элементом цепей, который анализируется, как и любой другой блок S-параметров. При этом электромагнитная структура копируется непосредственно в инструмент моделирования топологии. В итоге предотвращаются «трансляционные» ошибки, и отпадает необходимость в трудоемких усилиях.
Рисунок 3
Рисунок 4
Это схематичное представление ИС многокаскадного усилителя мощности. Цепь можно целиком разработать и проверить на модели, затем скомпоновать и использовать при проектировании устройства, не выходя из системы программного обеспечения.
3D-представление схемы, показанной на рисунке 3. Это представление поворачивается по всем трем осям, позволяя увидеть схему под любым углом, в т.ч. ее обратную сторону.
Моделирование электромагнитной обстановки осуществляется не только для СВЧ-цепей. Известно, например, что нагрузочный импеданс усилителя мощности в сотовых телефонах равен всего лишь нескольким Ом. Даже на частоте 1800 МГц нельзя пренебречь достаточно большой индуктивностью выводов кристалла. Моделирование ЭМО в таких случаях является единственным точным методом, позволяющим определить величину индуктивности на этапе проектирования. Этот способ также полезен для определения областей с недопустимо высокой плотностью тока или в случае высоковольтных цепей — участков с сильным полем, где может возникнуть дуговой разряд. В те времена, когда большая часть проектирования ВЧ-систем осуществлялась для авиакосмической техники, симуляция системы была в значительно мере отделена от процесса проектирования цепей. Например, поскольку в беспроводных системах отдельные цепи могут оказывать существенное влияние на рабочие характеристики системы, ее проектирование должно выполняться параллельно с разработкой схемного решения. В первую очередь, это относится к усилителям мощности, где следует тщательно контролировать возможность возникновения нелинейностей, чтобы соблюсти требования к ослаблению мощности по соседнему каналу (adjacent-channel power rejection, ACPR). Тесная интеграция между симуляторами цепей и системы, благодаря которой модель цепи можно автоматически обрабатывать в виде блока в симуляторе системы, оказывает неоценимую помощь в процессе проектирования. В современных системах автоматизированного проектирования у каждого схемного элемента имеется единственное представление в симуляторах ЭМО, топологии, системы и цепи. Поскольку у каждого схемного элемента существует лишь один экземпляр в системе моделирования, изменения параметров цепи немедленно отражаются на топологии, а топологические изменения, например длины или ширины микрополосковой линии, моментально видны в симуляторе цепей. Таким образом, отпадает необходимость в обратном аннотировании или других подобных операциях, благодаря чему значительно сокращается объем проверки соответствия топологии электрической схеме (layout-versus- schematic, LVS), а разработчик получает возможность сразу же увидеть все изменения и модифицировать цепь.
Усовершенствованное представление
Система графического представления, используемая в схематическом проектировании, должна быть понятной и простой в использовании. При утомлении глаз и в отсутствие четкого представления схемы могут появиться ошибки. Современные компьютеры обладают мощными функциями графического отображения, что, в частности, позволяет использовать эти возможности для проектирования ВЧ/СВЧ-систем. На рисунке 3 представлен пример топологии ИС усилителя мощности, демонстрирующий возможности понятного и детализированного отображения схемы. На рисунке 4 показана та же схема, но в объемном представлении. Ее можно рассматривать под любым требуемым углом, поворачивая вдоль трех осей. Инструментальные средства САПР прошли длинный путь развития, начиная с отдельных инструментов с ограниченными функциями и заканчивая системами, которые обеспечивают значительно более точную разработку, непрерывный маршрут проектирования и намного меньшую стоимость работы. Эти преимущества были достигнуты благодаря современному программному обеспечению, а также усовершенствованным техническим характеристикам. Модернизация таких продуктов как Virtual System Simulator (VSS) от компании AWR позволит перейти от проектирования на системном уровне и поведенческого моделирования к проектированию на уровне компонентов и анализу рабочих характеристик. Современные САПР представляют собой мощные и универсальные системы, намного превосходящие те, которые применялись еще в недалеком прошлом.