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Rohde & Schwarz teste les outils de simulation de bruit de Cadence

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Par publié le à 21h47

Rohde & Schwarz teste les outils de simulation de bruit de Cadence

Développer des Asic's haute fréquence performants

Le constructeur de systèmes de tests et mesures pour les télécommunications utilise les différents types d’outils de simulation proposés par l’éditeur pour valider les circuits à haute fréquence de ses produits. Il dresse un bilan de chacun d’eux en fonction de ses besoins.

En tant que constructeur de systèmes de tests et mesures pour les communications sans fil mobiles et radio, Rohde & Schwarz dépend de la disponibilité d'ASIC exclusifs offrant des fonctions et performances différenciatrices. Ses concepteurs de circuits intégrés font pour cela largement appel au simulateur accéléré parallèle Virtuoso-APS de Cadence Design Systems pour réaliser efficacement les simulations complexes requises pour répondre aux normes exigeantes de leurs circuits à haute fréquence.

La mise au point de circuits à haute fréquence est très exigeante. Pour répondre aux délais de commercialisation serrés, il est primordial de recourir à des systèmes efficaces de développement, tel la suite de simulateurs multi modes Virtuoso Multi-Mode Simulation (Virtuoso-MMSIM).

« Le simulateur parallèle accéléré Virtuoso de Cadence propose un certain nombre de fonctionnalités uniques qui nous permet d'évaluer en profondeur nos projets de circuits intégrés à hautes performances, tout en respectant des délais de mise sur le marché serrés. Les nouvelles fonctionnalités récemment introduites dans Virtuoso-APS nous ont permis d'améliorer encore notre productivité et d'augmenter nos chances de réussir du premier coup », explique Gerhard Kahmen, directeur de la sous-division Conception de circuits intégrés à signal mixte de Rohde & Schwarz. Voyons comment ses équipes utilisent ces outils.

Différentes méthodes d’analyse

L'analyse de bruit périodique (Periodic Noise – PNoise) est une méthode de simulation de Virtuoso-APS, fréquemment utilisée par Rohde & Schwarz pour les diviseurs de fréquence et détecteurs de phase à faible bruit. L'analyse PNoise ressemble fortement à l'analyse de bruit classique proposée par tous les simulateurs de circuits dérivés du Berkeley Spice original. Cependant, alors que l'analyse de bruit simule le circuit à un point de fonctionnement DC statique, l'analyse PNoise simule le circuit pour un état périodique qui est le résultat d'une analyse d'état stable périodique (Periodic Steady-State - PSS). Par conséquent, les effets de conversion de fréquence comme le mixage et l'échantillonnage sont automatiquement inclus dans le résultat d'une analyse PNoise.

L'analyse PNoise peut être utilisée pour tous les circuits dotés d'un comportement périodique. Tout comme l'analyse de bruit classique, elle propose un résumé du bruit, qui est une liste de sources de bruit triée selon l'importance de leur contribution au bruit sur la sortie du circuit. Cette liste permet de facilement identifier les possibilités de réduction supplémentaire du bruit du circuit. L'analyse PNoise propose également des modes d'analyse spécialisés pour la gigue (en anglais jitter), qui est un phénomène de fluctuation du front montant ou descendant d'un signal, ainsi que pour le bruit d'amplitude et de phase. Ces modes d'analyse sont essentiels pour la simulation précise de circuits tels que les diviseurs de fréquence et détecteurs de phase à faible bruit et Rohde & Schwarz a très largement recours à ceux-ci.

L'analyse de bruit transitoire est une autre méthode de simulation de bruit d'un circuit ne possédant pas de point de fonctionnement DC statique. Cette analyse repose sur une analyse transitoire et n'exige pas de comportement périodique du circuit. Elle fonctionne en ajoutant des sources de tension et de courant pseudo-aléatoires dotées de la valeur efficace appropriée à tous les composants générant du bruit. Le désavantage de cette approche est qu'il n'est pas possible d'obtenir le précieux résumé du bruit mentionné ci-dessus. Généralement, le circuit a besoin de longs cycles de simulation pour obtenir des résultats statistiquement significatifs. C’est pourquoi, les ingénieurs concepteurs de circuits intégrés de Rohde & Schwarz préfèrent recourir à l'analyse PNoise et n'utilisent pratiquement jamais l'analyse de bruit transitoire.


                                          

                                              Des circuits spécifiques très complexes


Les diviseurs de fréquence et détecteurs de phase à faible bruit, développés par Rohde & Schwarz, sont conçus pour fonctionner sur une gamme de fréquences étendue. La simulation de performance en bruit pour des signaux à basse fréquence peut donc s'avérer particulièrement problématique, car dans une analyse PNoise, on ne tient compte que des contributions en bruit provenant d'un nombre spécifié de bandes latérales. On négligera le bruit provenant de fréquences plus hautes que le multiple de la fréquence fondamentale spécifiée. Ceci signifie que pour des signaux à basse fréquence dans des circuits à large bande, il faut spécifier un nombre important de bandes latérales, afin de couvrir l'entièreté de la bande passante et obtenir des résultats précis. Étant donné que le temps nécessaire à l'analyse PNoise est à peu près proportionnel au nombre spécifié de bandes latérales, les temps de simulation peuvent devenir extrêmement longs.

Cadence s'est récemment attaqué à ce défi en introduisant l’option Full Spectrum pour l'analyse PNoise dans Virtuoso-APS. Elle tient compte des sources de bruit blanc sur tout le spectre de fréquences. On ne tient compte des sources de bruit coloré, comme le bruit de scintillement, qu'à partir d'un nombre spécifié de bandes latérales, mais un très petit nombre de bandes latérales est ici généralement suffisant pour obtenir une bonne précision. Pour Rohde & Schwarz, l’option de spectre complet a réduit d'un facteur pouvant aller jusqu'à 20 le temps nécessaire à une analyse PNoise avec des signaux à basse fréquence. Les analyses à des fréquences encore plus basses, qui étaient impossibles à réaliser avant à cause des temps de simulations excessifs, sont désormais possibles en un temps raisonnable, ce qui est un bon atout pour réaliser un circuit fonctionnel du premier coup.

Analyser les petits signaux …

L'analyse PNoise n'est pas le seul type d'analyse qui simule le circuit pour un état périodique donné par le résultat d'une analyse PSS. Les analyses PAC et PXF sont des analyses de petits signaux équivalentes aux analyses AC et XF connues de Berkeley Spice ou de ses héritiers. Comme l'analyse PNoise, elles comprennent des effets de conversion de fréquence comme le mixage et l'échantillonnage, qui les rendent idéales pour la simulation de circuits tels que des mélangeurs ou des filtres à capacités commutées. Elles proposent également des modes d'analyse spécialisés comme l'analyse Sampled pour le ‘‘jitter’’ ou l'analyse Modulated pour la modulation d'amplitude et de phase. Deux autres types d'analyse basés sur les résultats d'une analyse PSS sont l'analyse de stabilité périodique (PSTB) permettant de simuler le gain de la boucle d'un circuit périodique et l'analyse de paramètres S périodiques (PSP) permettant de simuler les paramètres S de circuits à conversion de fréquence comme les mélangeurs.

… et de l’intermodulation

Outre les analyses Sampled et Modulated, l'analyse PAC offre d’autres modes d'analyse spécialisées supplémentaires. Parmi ceux-ci, l'analyse Rapid IP3 s'est récemment avérée très utile pour les ingénieurs concepteurs de circuits intégrés de Rohde & Schwarz. L'analyse Rapid IP3 est une méthode unique et brevetée qui calcule l'intermodulation de troisième ordre (IP3) d'un circuit mélangeur faiblement non linéaire avec la puissance de calcul de cinq simulations PAC. Les autres méthodes de calcul de l'IP3 d'un mélangeur exigent une puissance de calcul beaucoup plus élevée, car le circuit doit être simulé avec au moins deux signaux appliqués simultanément à différentes fréquences.

Rohde & Schwarz a simulé l'IP3 d'un mélangeur contenant un nombre très important de composants parasites qui ont été extraits du layout. Une analyse PSS avec un signal à une fréquence unique était toujours possible, mais des tentatives d'introduction d'une seconde fréquence ont fait que la simulation a dépassé la mémoire disponible de l'ordinateur. Toutefois, en recourant à l'analyse Rapid IP3, Rohde & Schwarz a pu déterminer l'intermodulation de troisième ordre du mélangeur, un résultat impossible sans cette analyse.

Utiliser les assertions analogiques

Une autre fonctionnalité avancée de Virtuoso-APS, utilisée intensivement par Rohde & Schwarz pour garantir la fiabilité de tous ses circuits, est ce que l'on appelle les assertions analogiques. Tous les composants utilisés dans les circuits intégrés possèdent des limites en tension et en intensité qu'il ne faut pas dépasser sous peine de destruction ou de réduction de leur durée de vie. Cependant, les simulations ordinaires font très facilement l’impasse sur ces limites maximales. Les assertions analogiques permettent de spécifier ces seuils de manière générale, puis de réaliser un contrôle de conformité pour tous les composants lors de toutes les simulations. Toutes les violations sont signalées avec le nom du composant et le moment où elles sont survenues, afin de pouvoir les examiner de manière plus détaillée.

La spécialité des assertions analogiques des outils de Cadence est la possibilité de pouvoir utiliser des expressions arbitraires contenant les valeurs de paramètres des composants pour calculer les valeurs autorisées de tension et d'intensité. Par exemple, l'intensité maximale d'une résistance dépendra généralement de sa largeur, en raison de la densité de courant maximale admissible. Virtuoso-APS permet une spécification très simple de telles limites variables, et les assertions analogiques sont donc un outil standard pour les ingénieurs concepteurs de circuits intégrés chez Rohde & Schwarz.

Comme son nom l'indique, le simulateur parallèle accéléré (APS) Virtuoso-APS renferme un résolveur de matrice parallèle qui permet une utilisation très efficace des architectures de processeurs multi cœurs et d'accélérer en conséquences les simulations qui prennent beaucoup de temps. Le système de licence basé sur des jetons de Virtuoso MMSIM permet une utilisation très souple de ces capacités en fonction de la taille de la simulation, de la charge du processeur de l'ordinateur, et des ressources de licence disponibles. Virtuoso-APS nécessite 2 jetons de licence MMSIM pour exécution sur un simple cœur, 4 jetons pour un maximum de 4 cœurs, 6 jetons pour un maximum de 16 cœurs, et 8 jetons pour un maximum de 64 cœurs. L'utilisation des fonctions RF comme l'analyse PSS et l'analyse PNoise exige un jeton supplémentaire.

Rohde & Schwarz apprécie ce système de licence souple et économique de Virtuoso MMSIM qui lui permet également d'utiliser d'autres produits Cadence comme Virtuoso AMS Designer (un simulateur mixte analogique/numérique) et Virtuoso UltraSim (un simulateur FastSpice).
 

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