CAD-Tools für den Entwurf von HF-Front-End-SchaltungenUlrich Seeling, ATMEL Wireless & Microcontrollers, HeilbronnPeter Schwarz, Fraunhofer-IIS / EAS DresdenReimund Wittmann, Nokia Research Center, BochumAndreas Laute, Thesys Mikroelektronik Produkte GmbH, Erfurt

Im folgenden werden Aufgabenstellungen und Ergebnisse des Forschungsthemas "HF-Front-Ends" (Förderkenn-zeichen 01M3040) vorgestellt, das im Rahmen des BMBF-Förderschwerpunkts „Smart Systems Engineering“(SSE) bearbeitet wird. Über die konkreten Projektergebnisse hinaus ist ein Beitrag zum durchgängigen Entwurfvon HF-Schaltungen entstanden, der auch für andere Tools und Entwurfumgebungen modifiziert werden kann.

Seit Jahren ist die Bedeutung der Telekommunikation,insbesondere der mobilen Kommunikationstechniken,und ihre weitere rasante Entwicklung abzusehen. Dasführt zu stetig steigenden Anforderungen an Werk-zeuge und Methodiken beim System-, Schaltungs-und Layoutentwurf. Da die gebräuchlichen CAD-Tools sich im Vergleich zum Digitalentwurf hier beiweitem nicht im selben Maße fortentwickelt haben,führt dies zwangsläufig zu einer Beeinträchtigungeines effektiven Entwurfsprozesses von HF-Komponenten, besonders im Bereich der Mobilkom-munikation. Auch im Bereich der Simulation vonKommunikationssystemen lag bisher der Fokusentweder auf der digitalen Signalverarbeitung [1], [2]oder auf der Simulation analoger Transistorschaltun-gen [3], [4]. Die erkannten Defizite werden im Ver-bundprojekt HF-Front-Ends von den Partnern• ATMEL Wireless & Microcontrollers (ehemalig

TEMIC Semiconductors), Heilbronn,• NOKIA Research Center, Bochum,• Thesys/Melexis, Erfurt,• Cadence Design Systems, Haar b. München,

• TU Dresden,• TU Braunschweig,• FhG EAS Dresdenbearbeitet und beim Entwurf von zwei Demonstrato-ren erprobt.Bild 1 zeigt die im Projekt eingesetzten bzw. neu- undweiterentwickelten Tools. Neben der Anwendung vonbekannten und bewährten Tools, vor allem vonSimulatoren wie SpectreRF, ADS, ELDO und Saberwurde an den durch Unterstreichung gekennzeichne-ten Aufgaben und Werkzeugen gearbeitet. Ziel war es,Lücken zwischen der rechnergestützten Spezifikation,dem Blockschaltbildentwurf und dem Schaltungsent-wurf zu schließen.In diesem Beitrag können die entwickelten Algorith-men, Verfahren und Werkzeuge nur im Überblickskizziert werden; in den nachfolgenden Veröffentli-chungen dieser Session „HF-Front-Ends“ sind einigevon ihnen detaillierter dargestellt.Einer der Ansätze war es, zu einem möglichst frühenZeitpunkt des Entwurfs rechnergestützte Verfahreneinzusetzen, um bereits hier Abschätzungen über

Spezifikation

Schaltungen

Layout

Generator

Reuse,

Modulgenerator,

ELDOSaberSpectre

Software

Pegelplantool

SPW

SpectreRF

COSSAP,

MDS

Modell-bibliothek

Dokumen-tation

k-Modell

unterstützung:

Auswahl

manuell automatisiert

ADS

Extraction

Blockschaltbild

Pegelplan

Bild 1 Werkzeuge für den durchgängigen Entwurf von HF-Schaltungen

Systemalternativen und deren Strukturierung vorneh-men zu können. Zu diesem Zweck entstand das sog.Pegelplantool, ein Werkzeug, das auf Basis einerTabellenkalkulation mit Excel die Übertragung vonSignalpegeln und die Gesamtsystemparameter (z.B.für Rauschen und nichtlineare Verzerrungen) berech-net (Bild 2). Hiermit gewinnt der Entwerfer einenkompakten und transparenten Überblick über sein

Bild 2 Pegelplantool

Gesamtsystem und kann auf dieser Basis erste Ent-wurfsentscheidungen treffen [5].

Als nächstes wurde der Übergang von der System-analyse zur System- und Schaltungssimulation unter-stützt. Dazu wurden HF-Modellschablonen, das sindparametrisierbare Hochsprachenmodelle in Form vontemplates, für die im Pegelplan verwendeten Blöcke(z.B. LNA, Mischer, Filter, Balun, ...) entwickelt [6].Im Bild 3 ist (als anschauliches Blockschaltbild) dieModellschablone für einen Verstärker dargestellt, inder außer der eigentlichen Funktion – Verstärkung –bereits auch die wichtigsten parasitären Eigenschaften(Rauschen, Tiefpaßverhalten, Ausgangsbegrenzung,...) berücksichtigt sind. Durch geeignete Parameter-festlegung kann man aus dieser „Schablone“ einkonkretes Modell entwickeln.

Bild 3 Beispiel einer Modellschablone

Durch den „Export“ der Zusammenschaltung derBlöcke und ihrer Parameter aus dem Pegelplantool

heraus entsteht eine simulierbare Beschreibung desHF-Systems für Simulatoren wie Spectre oder ELDO(Bild 4). Im Gesamtmodell können daher dieseSystemmodelle der HF-Blöcke auch durch Transistor-schaltungen ausgetauscht werden. Die Modellschab-lonen sind Verhaltens-Beschreibungen, die zahlreichein HF-Schaltungen nicht vernachlässigbare Effekte,wie z.B Nichtlinearitäten, Rauschen, Frequenz- undTemperaturabhängigkeiten, berücksichtigen. Deshalbwurden an typischen Schaltungen die Modellierungs-möglichkeiten – sowohl durch Verfeinerung einerabstrakten Funktionsbeschreibung [7] als auch durchrechnergestützte Analyse von Eigenschaften derTransistorschaltungen [8] – untersucht.Bereits während der Projektlaufzeit hat der Projekt-partner Cadence begonnen, eine „rflib“ mit vergleich-baren Modellen auf den Markt zu bringen.

Bild 5 Korrelationsmatrix Technologie-Parameter zu HF-Kenngrößen eines Mischer-Vorverstärkers

Eine weitere Herausforderung ist die Ermittlung undBerücksichtigung technologischer Schwankungen,die gerade im HF-Bereich die Eignung einer Schal-tung für ihr Einsatzgebiet maßgeblich beeinflussen.Nach Extraktion der Schwankungen der einzelnen

2000 3456 1100000 -100 nom

290 -40 21,0714 4,52E-12

Number of stages: 15 Diversity-Switch Preselector T/R-Switch Diel.-BPF LNA IR-Filter IR-Mixer1 2 3 4 5 6 7

Center frequency [MHz] 2000 2000 2000

Reference resistance of stage [Ohm] 50 50 50 50 50 50 50Signal voltage [µVrms] 5 5, 4,46 3,75 2,98 29,78 21,08Signal power [dBm] -93,0103 -93,01 -94,01 -95,51 -97,51 -77,51 -80,51

Voltage gain of stage 0 -1 -1,5 -2 20 -3 17,78151Power gain of stage 0 -1 -1,5 -2 20 -3 10

Noisefigure of stage [dB] 0 1 1,5 2 2,5 3 15Additional noisefigure [lin] 0 0,258925 0,412538 0,584893 0,778279 0,995262 30,62278

Cascaded powergain [dB] 0 0, -1, -2,5 -4,5 15,5 12,5Cascaded powergain [lin] 1,00E+00 1,00E+00 7,94E-01 5,62E-01 3,55E-01 3,55E+01 1,78E+01Cascaded noisefigure [dB] 0 0, 1, 2,5 4,5 7, 7,02Cascaded noisefigure [lin] 1 1, 1,26 1,78 2,82 5,01 5,04Noiselevel [dBm/Hz] -173,98 -173,98 -173,98 -173,98 -173,98 -151,48 -154,45Cascaded noisetemperature [K] 2,90E+02 2,90E+02 2,90E+02 2,90E+02 2,90E+02 5,16E+04 2,60E+04Cascaded noiselevel [dBm] -123,98 -123,98 -123,98 -123,98 -123,98 -101,48 -104,45Cascaded S/N [dB] 30,97 30,97 29,97 28,47 26,47 23,97 23,94

TEMIC-DECTSignalfreq. [MHz]

Antennatemp. [K]Bandwidth [Hz]

IM3 offset [kHz]

Required S/N [dB] Achieved Biterror

Input IM3D [dBm]IM source [dBm]

Demodulator:

SensitivityMDS [dBm]

Output IM3D [dBc]Achieved S/N [dB]

Loss [dB] SFDR [dB]

Gain ICP OCP IIP3 OIP3 NF

QCX -0,02 0,20 0,01 0,20 0,01 0,00

RSBI 0,95 0,36 0,98 0,43 0,98 -0,90

DSP 0,18 -0,90 0,05 -0,87 0,05 -0,33

WTOL -0,06 0,01 -0,06 0,01 -0,06 0,04

RSQ-H 0,00 0,01 0,00 0,01 0,00 0,00

RSQ-L 0,10 -0,20 0,07 -0,21 0,07 -0,05

Bild 4: Modellschablonen: von der System- zur Schaltungssimulation

Abstraktionsgradder Modellierung

Pegelplan-modelle

Makro-modelle

Hoch-sprachen-modelle

Realisierung alsTransistorschaltung(Demonstrator)

SchaltungsklasseVerstärker + + + +Filter + + + +Mixer + + + +VCO + +Oszillator + +Balun +Lineares Zweitor +Frequenzteiler + +Splitcell + + +Phasendetektor +Attenuator +

Parameter der HF-Blöcke in Abhängigkeit von derTechnologie (vergl. Bild 5) können diese Schwankun-gen im Gesamtsystem mitsimuliert und somit ihrEinfluß auf das ganze HF-System bestimmt werden.

Um die Parameter der HF-Blöcke bei vorhandenenSchaltungen bestimmen zu können, auch wenn z.B.im Buttom-up-Ansatz ein HF-Block auf Hochspra-chenebene ins Gesamtsystem eingebracht werden soll,entstanden Charakterisierungswerkzeuge, die denspeziellen Anforderungen der HF-Technik gerechtwerden und auf die HF-Modellschablonen zuge-schnitten sind. Dadurch lassen sich auch effektiv vieleSchaltungsvarianten simulieren und ihre Eigenschaf-ten mit den geforderten Systemparametern verglei-chen (Bild 6). Die Charakterisierungsumgebung [5]umfaßt

• Testbenches mit Stimuli- und Lastbeschaltungen,analog zu einer meßtechnischen Bestimmung vonBlockparametern,

• Vorschriften zur Berechnung der Blockparameteraus den Ergebnissen einer oder mehrerer Simula-tionen,

• eine in der Skriptsprache OCEAN formulierteAblaufsteuerung (Beschaltung des Blockes, Si-mulationssteuerung, Parameterberechnung),

• Fenster zur Bedienerführung zur Variantenaus-wahl bei den zu bestimmenden Blockparameternund Varianten der Modellschablonen.

Bild 7 Internet-basierte Dokumentation und Auswahlverfahren

Das rasche Entwicklungstempo der Mobilkommun-kations-Schaltungen zwingt zur Unterstützung derWiederverwendung (Re-use) von Analogschaltun-

Bild 6 Charakterisierungsumgebung

gen [9], [10]. Daher wurde ein Auswahlverfahrenentwickelt [11], das die Daten von bereits entworfe-nen und simulierten Schaltungen mit einer neuenSpezifikation vergleicht und dem Entwerfer ausdiesem Fundus Vorschläge zum wiederholten Einsatzeiner vorhandenen Schaltung macht (Bild 7). Wichtigist bei diesem Verfahren eine flexible Definition derÜbereinstimmungsmaße (Matching-Funktionen) fürden Soll-Ist-Vergleich.

Die komplexe Aufgabe der Automatisierung einesAuswahlprozesses für Analog- und Mixed-Signal-Schaltungen kann nur dann effizient gelöst werden,wenn es gelingt, die nicht direkt im Lastenheft desKunden enthaltenen, sich aber aus der zwingendnotwendigen Diskussion ergebenden Informationenüber Wichtigkeit und Gütekriterien mit in den Aus-wahlmechanismus zu integrieren. In dem hier entwi-ckelten Verfahren wird dazu die herkömmlicheAnforderungsspezifikation mit Parameternamen undSollwerten bzw. Sollbereichen erweitert. Jeder Para-meter wird mit einem Gewichtungsfaktor und einerGütefunktion versehen. Der Gewichtungsfaktor unddie Gütefunktion sind für jeden Spezifikationspara-meter individuell festzulegen. Sie berücksichtigen diespeziellen Belange der Zielapplikation. Mit einer indieser Form erweiterten Blockspezifikation kann dieautomatische Schaltungsauswahl beginnen. Die Vor-gabe der Schaltungsklasse dient dazu, nur Schaltun-gen dieser Klasse aus einem Repository zur Auswahlzuzulassen. Jede Schaltung dieser Klasse wird nunjeweils auf die Fähigkeit geprüft, jede einzelne Ziel-spezifikation für die im Anforderungsdatenblattvorgegebene Parameterliste zu erfüllen. Zur Bewer-tung dieser Fähigkeit werden die eingestellten Güte-funktionen herangezogen. Im Anschluß an die Para-metereinzelbewertungen erfolgt eine Gesamtbewer-tung der jeweiligen Schaltung. Diese ergibt sich ausder Summe der Parametereinzelbewertungen unterEinbeziehung der Gewichtungsfaktoren. Das Ergebnisdieser Bewertung ist eine “analoge” Skalierung derEignung der untersuchten Schaltungen für den vorge-gebenen Anwendungsfall. Damit ergibt sich eineRangliste von der am besten geeigneten bis zur amschlechtesten geeigneten Variante. Die Schaltung mitder besten Bewertung wird zur Lösung der vorgege-benen Designaufgabe vorgeschlagen – die endgültigeAuswahl trifft aber der Designer.

Die Berücksichtigung parasitärer Effekte, z.B. durchLayout oder Gehäuse bedingt, ist ein weiterer Aspektzur Verbesserung des HF-Entwurfsablaufes. So ist esz.B. wichtig, dem Entwerfer ein Mittel an die Hand zugeben, um schnell und einfach den Einfluß vonGehäuse und Bonddrahtführung auf seine Schaltungermitteln zu können. In diesem Zusammenhang wird

Bild 8 Gehäusemodellierungstool

ein Vergleich der Ergebnisse eines vom PartnerCadence bereitgestellten Werkzeuges zur Gehäuse-Charakterisierung und den aufwendigen meßtechni-schen Untersuchungen durchgeführt (Bild 8). Speziellzum Rauschen, seiner Berücksichtigung in denModellschablonen und den Möglichkeiten derRauschoptimierung wurden weiterhin umfangreichetheoretische Untersuchungen durchgeführt [12].

Mit den k-Modellen, ein ebenfalls von Cadence indas Projekt eingebrachtes Verfahren zur Abbildungder Eigenschaften einer HF-Übertragungsschaltung inein mathematisches Modell [13] für den Systemsi-mulator SPW (Bild 9), schließt sich die Lücke zurSimulation nicht nur des HF-Systems, sondern desgesamten Systems inklusive Basisbandverarbeitungund Digital-Signal-Processing beim Buttom-up-Entwurf.

Die k-Modelle• beschreiben das nichtlineare statische und dyna-

mische Verhalten eines Teilsystems• sind besonders auch zur Berücksichtigung ar-

beitspunktabhängiger, schwacher Nichtlinearitä-ten (wichtig für die Verzerrungsanalyse!) geeig-net

• ihre einstellbaren Parameter werden mit Hilfevon Simulationen der Transistorschaltung (z.B.mit SpectreRF) bestimmt.

• Sie sind speziell zugeschnitten auf moderne Modula-tionsverfahren und gehen daher von einer I-Q-Darstellung der zu übertragenden Signale aus. Wäh-rend mit SpectreRF im Trägerfrequenzband (TF)simuliert wird, kann mit dem Systemsimulator SPWim Basisband (BB) gerechnet und damit enormRechenzeit gespart werden.

Als Demonstratoren wurden Blöcke für den Einsatzin einem UMTS-System (Direct-Conversion Recei-ver; Bild 10) und ein Schaltkreis für die Datenkom-

munikation in Gebäuden ausgewählt (KMU-Demonstrator, siehe Bild 11). Gegenwärtig werdenverschiedene Projektergebnisse (Pegelplantool,parametrisierte HF-Modellschablonen, Generierungvon k-Modellen, Gehäusemodellierung, ...) daranüberprüft [14].

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß esgelungen ist, die• Durchgängigkeit von der Spezifikation über den

beim System- bis zum Schaltungsentwurf vonHF-Schaltungen zu verbessern,

• den Entwurf neuer Schaltungen durch Wieder-verwendungs-/Auswahlverfahren und parametri-sierbare Modellbibliotheken zu effektivieren,

• durch automatische Generierungsverfahren denmanuellen Modellierungsaufwand zu senken,

• parasitäre Einflüsse (vor allem Rauschen, Gehäu-separasitics, Temperatur- und Betriebsspannungs-abhängigkeiten) zu erfassen,

• durch Charakterisierungsumgebungen die auto-matische Parametrisierung von Systemmodellender HF-Schaltungen zu ermöglichen.

Modell

Kanal- K-

Modell

Receiver

DSP-

Modell

Iin

Qin

Iout

Qout

SPWSpectreRF

PLL

Iin

Qin

PLL

BB-FilterVerstärker

Iout

Qout

SchaltungModelle

ParameterLayout

StörungenRauschen

VerstärkerBB-Filter

K-Modell-

Extraktion

f(t)

f(t)

FilterLNA

TF BB BB (Basisband)

Bild 9 Das k-Modell als Brücke zwischen Schaltungs- und Systemsimulation

Bild 10 Chipfoto der 1. UMTS-Demonstrator-Realisierung

Bild 11 KMU-Demonstrator, 868/915MHz Receiver

Literatur

[1] Lee, E. A.; Messerschmitt, D. G.: DigitalCommunication. Kluwer, Dordrecht 1994

[2] Jeruchim, M.C.; Balaban, P.; Shanmugan,K.S.: Simulation of Communication Systems.Plenum Press, New York 1992

[3] Kundert, K. S.: The Designer's Guide to Spiceand Spectre. Kluwer, Dordrecht 1995.

[4] Kundert, K. S.; White, J. K.: Steady-StateMethods for Simulating Analog and Micro-wave Circuits. Kluwer, Dordrecht 1990.

[5] Fahlbusch, T.; Knöchel, U.; Schäfer, G.;Schwarz, P.; Seling, U.; Trappe, P.: Durchgän-gige Systemsimulation von HF-Schaltungen.Analog'99, München, Februar 1999.

[6] Fahlbusch, T.; Trappe, P.; Knöchel,U.: Modell-schablonen im HF-Front-End Entwurf. DieserTagungsband.

[7] Hinz, M.; Könenkamp, I.; Horneber, E.-H.:Modellierung und Simulation einer klassischendigitalen Phasenregelschleife. Dieser Tagungs-band.

[8] Könenkamp, I.; Hinz, M.; Horneber, E.-H.:Bottom-Up-Verfahren zur automatischen Ge-nerierung von Verhaltensmodellen analogerHDL. Dieser Tagungsband.

[9] Wittmann, R.; Bierbaum, D.; Schardein, W.;Matei, E.: A paramerterizable and process re-targetable high speed DAC for digital radioapplications. 12th Annual IEEE ASIC/SOCConference, Washington, pp. 404-408, Sept.1999

[10] Wittmann, R.; Schardein, W.; Bierbaum, D.;Darianian, M.: SOC-driven design methodol-ogy for full custom high performance mixed-signal designs. Accepted for 13th Annual IEEEASIC/SOC Conference, Washington, Sept.2000

[11] Rühle, T.; Könenkamp, I.; Wittmann, R.;Jentschel, H.-J.: Verfahren zur effizienten Wie-derverwendung analoger Schaltungen. DieserTagungsband.

[12] Jummel, G.: Symbolische Analyse und Opti-mierung nichtlinearer Verzerrungen in rückge-koppelten Transistorschaltungen. DieserTagungsband.

[13] Chen, J.E.; Feng, D.; Philips, J.; Kundert, K.:Simulation and modeling of intermodulationdistortion in communication circuits. Proc.Custom Integrated Circuits Conf. 1999

[14] Hartung, J.: HF-Entwurf mit Verifikation aufSystemebene am Beispiel eines Direct-Conversion-Receivers für W-CDMA-Anwendungen. Dieser Tagungsband.