RF 회로 설계 란 무엇인가요?

RFIC 설계는 일반적으로 탑다운(top-down) 설계 및 구현 과정을 거친 후, 바텀업(bottom-up) 검증 과정을 밟습니다. 이러한 전반적인 접근 방식에는 다양한 변형이 있습니다. 기본 단계는 다음과 같습니다:

1. 설계에 대한 고수준 사양서를 작성하십시오. 이 설계는 어떤 기능을 수행할 것인가? LNA 이득 및 잡음 지수, PA 출력 전력, LO 위상 잡음, 혼합기 변환 이득과 같은 주요 사양은 무엇인가?
2. 트랜지스터, 인덕터, 커패시터 등의 소자를 사용하여 장치 수준의 회로 설명을 작성합니다. 이 단계에서는 파운드리 PDK에 포함된 사전 정의된 소자 라이브러리를 활용하는 경우가 많습니다.
3. 회로 시뮬레이션 를 사용하여 설계가 모든 사양을 충족하는지 확인하십시오. 이 단계에서는 제조 공정 및 운영상의 변동성을 모델링하여, 이러한 불확실성에도 불구하고 장치 설계가 견고함을 유지하도록 보장합니다.
4. 모든 부품에 대해 미리 정의된 레이아웃을 조합하여 설계의 물리적 레이아웃을 구현하십시오. 제조 가능성을 보장하기 위해 배치 규칙을 반드시 준수해야 합니다.
5. 그런 다음 레이아웃에서 등가 회로를 추출합니다. 이제 설계 설명에 기생 효과가 반영되었으며, 이러한 새로운 효과가 추가된 상태에서도 설계가 의도한 대로 작동하는지 확인하기 위해 시뮬레이션을 다시 수행합니다.

이러한 기존의 특성 분석( RF 회로 설계 ) 및 검증 방법은 현대적인 RFIC 설계 표준을 충족시키기에는 불충분합니다. 설계자들이 아날로그, 디지털 및 RF 기능을 대규모 SoC로 통합하고자 하고 동작 주파수가 지속적으로 증가함에 따라, 사전에 특성 분석이 완료된 소자 라이브러리나 기타 기존 방법론을 사용하여 RF 집적 회로를 설계하는 것이 점점 더 어려워지고 있습니다. 게다가 고주파에서의 전자기 상호작용은 신호 반사, 크로스톡, 기판 누설 및 전자기 간섭(EMI)과 같은 기생 효과를 유발하며, 이는 회로 성능을 저하시키므로 설계 주기 초기에 가능한 한 빨리 고려해야 합니다.

RF 회로는 무선 전송에 적합한 매우 높은 주파수에서 작동하는 특수한 유형의 아날로그 회로입니다. RF 회로의 두드러진 특징 중 하나는 인덕티브 소자를 사용하여 공진 회로가 특정 무선 반송파 주파수 주변에서 작동하도록 조정한다는 점입니다. RF 설계와 저주파 설계 아날로그 설계 의 주된 차이점은 회로에 대해 수행되는 분석의 유형에 있습니다.

RF 설계에서 정상태 동작은 가장 중요한 고려 사항입니다. 회로의 동작은 대개 주파수 영역에서 모델링되며, 이때 신호 충실도, 잡음, 왜곡 및 간섭에 중점을 둡니다. RF 반송파상의 변조 신호를 모델링할 때는 시간-주파수 영역을 결합한 분석이 가장 효율적입니다. 시간 영역은 신호의 동적 변화에 중점을 두는 반면, 주파수 영역은 RF 반송파와 그 고조파 및 상호변조 산물에 중점을 둡니다. 제조 및 설계 과정에서 발생하는 RF 회로의 변동성을 모델링하고 이를 보정해야 합니다.

여기서 아날로그 설계, 회로 자극은 시간에 따라 지속적으로 변화하는 신호로 취급됩니다. 무선 통신의 맥락에서, 아날로그 신호 처리( 아날로그 설계 )는 종종 “RF” 회로와 대조되는 “저주파” 또는 “베이스밴드” 회로를 의미합니다. 유선 통신의 맥락에서, 아날로그 신호 처리( 아날로그 설계 )는 종종 아날로그 프런트 엔드 또는 고속 아날로그 트랜시버 회로를 의미합니다. 아날로그 회로의 동작은 시간 영역과 주파수 영역에서 모델링되며, 이때 결과 파형의 충실도/정밀도, 일관성 및 성능에 중점을 둡니다. 제조 및 설계로 인한 회로 변동성도 모델링되어야 하며, 이에 대한 보정 또한 이루어져야 합니다.

디지털 설계에서는 회로 자극을 시간 경과에 따른 일련의 이산 논리 “1”과 논리 “0”으로 취급합니다. 논리 “1”은 일반적으로 IC에 공급 전압이 인가된 상태로 표현되며, 논리 “0”은 이 전압이 없는 상태(즉, 0볼트)로 표현됩니다. 디지털 회로의 소자들은 대부분의 시간을 논리 “1” 또는 논리 “0” 상태 중 하나에서 보내야 합니다. 이러한 신호를 처리하는 회로가 해당 논리 레벨에 대해 일관된 반응을 보인다면, 디지털 설계는 원활하게 작동합니다. 이진 논리( 아날로그 설계 )는 이러한 특성을 보장합니다. 이를 통해 조합 논리 및 순차 논리 모델을 사용하여 두 가지 전압(“1”과 “0”)만을 고려함으로써 회로 동작을 분석할 수 있으며, 이는 설계 및 검증 과정을 상당히 단순화합니다.

무선 시스템에서 RF 회로, 아날로그 회로 및 디지털 회로를 통합하기 위해, 아날로그-디지털 변환기(ADC)는 아날로그 회로와 디지털 회로 사이의 가교 역할을 합니다. 혼합기는 아날로그 회로와 RF 회로 사이의 가교 역할을 합니다. 안테나는 RF 회로와 공기 중 사이의 인터페이스 역할을 합니다.

Synopsys 맞춤형 설계 플랫폼은 완벽한 RF 개발 흐름을 갖춘 통합 설계 및 검증 툴 모음입니다. 이 플랫폼은 아래와 같이 설계 의도를 원활하게 전달하고 RF 설계 클로저를 달성할 수 있도록 설계/레이아웃 협업을 지원합니다.

RFIC의 경우, 실리콘에 최적화된 전자기 시뮬레이션 워크플로가 커스텀 설계 플랫폼을 보완합니다. Synopsys VeloceRF 유도성 소자 레이아웃 합성 및 모델링 도구를 통해 설계자는 빠르고 정확한 RF 소자 합성 및 모델링을 수행할 수 있습니다. Ansys 온칩 설계 전용인 RaptorX 실리콘 최적화 전자기 솔버는 설계 분석 및 모델링을 위해 레이아웃의 수동 소자와 라우팅을 모델링하여 플로어 플래닝 결정을 지원합니다. 설계자는 IC 데이터베이스를 Ansys HFSS 고주파 전자기 시뮬레이션 소프트웨어에 입력하여, 고주파 시뮬레이션 인터페이스가 내장된 Ansys RaptorH 실리콘 최적화 전자기 솔버를 통해 시스템 레벨 시뮬레이션을 수행하며, 전체 다이, 패키지 및 인쇄 회로 기판(PCB) 전자기 시뮬레이션을 실행합니다. 사인오프 단계에서는, Synopsys Exalto 사인오프용 실리콘 최적화 전자기 모델링 소프트웨어는 RF 회로의 전자기적으로 중요한 부분에 대한 전자기 모델을 통해 일반 RC 결과를 보완하며, 빠른 포스트 레이아웃 시뮬레이션을 위해 백-애노테이션(back-annotated) 처리되어 있습니다.