【射频仿真学习笔记】Cadence的Layout EXL与ADS dynamic link联动后仿

一、EXL仿真

1. 绘制教程

• 当我们使用EMX仿真提取的时候，会遇到各种各样的问题，很不方便。
• 这里我们介绍一种新的方法——EXL。可以更灵活的跑仿真。
• 我们以带有中和电容的差分电路为例进行介绍
  
• 在使用EMX的是偶，port是连不到晶体管外围金属上的。因此会搞得版图很乱
• 在新版的Cadence中，更推荐另一种方法是EXL方法，这个方法跟EMX内置仿真器都是一样的，但是它不会破坏原有的版图结构，可以实现更灵活的跑仿真的配置。

进入Layout EXL

• 下面演示新的操作流程
• 首先进入这个界面的时候，需要选择Layout EXL
  
  

导入proc文件

• 首先要选择一些conner，这是与EMX设置衬底（proc文件）是差不多的。
  
• 导入tsmcN65.proc文件
  
• 选到所在的文件夹下，就会自动取读取该文件夹下的proc文件
• 然后保存
  
  
• 新建新的cellview
  

仿真的设置

• 这里有个细节是，金属线通常在EMX在0.5的情况下，才能仿的比较准。这些我们都是可以在仿真设置中调的。
  

• 在这里可以设置它的频率范围，及其步进
  

• EMX的mesh和thickness都要设置为0.5
  

选择版图中的symbol

• 如果全点勾的话，就是全提取，那么就是黑箱

• 首先点击右侧栏的左下角的按钮
  

• 勾选上对应的symbol
  

• 这里如果版图中的子电路是有symbol的，那么就会显示在右栏中，就可以作为黑盒子排除掉
  

设置port

• 第二个界面是port界面，点击这个按钮，就是全自动识别版图中的port
  

• 如果默认的晶体管管心位置不对，是可以在右侧栏更改的
  

• 然后点击这个按钮，用到衬底取识别这些层
  

• 选完port之后，可以把这里的某些pin直接设置为reference
  

• 在做完所有port设置后，点击保存
  

EMX仿真预览图

• 然后我们要去查看现在仿真EMX时什么样子的，点击这个按钮
  
• 然后就可以看到，它其实就是把你内部的黑盒子的东西全部去除掉，值保留下了port。
• 这样就不会有长条的port伸出来，看起来会很别扭。
  

外部添加port

• 外部添加的底层port是被调用的，这是不能被自动识别出来的，需要手动输入P1的port
  

• 但是我们又不想把图弄得太脏，不想去打散。

• 我们可以这么做，在这里加入port，选择M9层
  

• 然后点击port
  

• 然后在port窗口就能识别到了，取名字为INp，
  

• 加入了之后可以发现，实际的EMX仿真就被刷新了
  

• 千万不要将port名字带符号，如IN+，否则会出现下面这种情况，会显示错误
  

开始EMX仿真

• 点击simulation
  

• 然后点击生成仿真电路图
  

• 返回library manager中，可以发现工作目录下已经有对应原理图了
  

• 生成了跟EMX完全一样的原理图了

• 而且这些图是可以过LVS的，因为它的机制本身就是和LVS的QRC绑定在一起的。
  

• 其保存的路径是相对的路径，也就是保存在原理图所在的路径下
  

• 仿真完之后的结果会在这个界面以S参数的形式显示
  

2. 示例

• 将中轴线连在一起
  
• 新的版图
  

需要看的论文

• 需要看ISSCC2024东京工业大学王川的论文对应的PPT行会有怎么画的详细步骤，在太赫兹的专栏里面。

• 地用底层金属是没关系的
  

3. 参考实例

二、ADS dynamic link仿真

ADS dynamic link

• 然后使用ADS 的dynamic link进行动态链接。
  
  
• 调用成下面这样的电路图
  

大信号仿真

• 这里有个很关键的概念是，反向错频率信号输入。这个对应于virtuoso的仿打信号输出阻抗的电路，用了1个pss+pac完成。
• virtuoso的pss对应于ADS就是harmonic balance。RFfreq就是基波频率
  
• 然后转到small-sig，勾选上
• 它可以在原有的打信号的基础上提供一个频偏的小信号，那么这个时候就可以用小信号在输出端反向注入这个晶体管，就可以得到它的输出阻抗。
  
• 为什么要偏移一个频率呢？
• 在正常电路分析的时候，应该置零所有信号源，然后再输出加一个交流电流源去看它的电压产生的值，用这个电压值去除以电流值就可以得到它的输出阻抗Zout。但是现在有个问题，此时的输出阻抗是受输入信号功率影响的，所以仿真的时候，输入功率是必须被强制加上去的，因此是不能置零的，因为它会直接影响Zout的值。
• 但是如果不把它置零的话，就会导致一件事情，元件内部的晶体管的gm依然会存在的，gm的频率是RFfrequency。那么从输出端往左看，绝对不是原本的Zout，而是包括了GM*Zout的响应的，因为Vgs没有置零。
  
• 所以我们需要做的是，我们知道现实世界中是随着频率无限连续变化的。我们可以让他稍微比RFfrequency错位一个1k赫兹或者一个可以被忽略的频率。我们可以认为20GHz+1kHz的输出阻抗近似等于20G的输出阻抗，这是可以的因为其是光滑变化的。但是在20G+1K这个频率显示是没有gm和vgs的，因为其对应的是sinwt，而不是sin（w+1）t。因此我们注入一个sin（w+1）t的电流源去观察其电压，但是此外我们还需要排除掉这个Zload，因为其是两个并联的。这样得到的就是真正的输出阻抗了
  
  

• 这里有Zinput和Zoutput

• Zoutput的表达式就是加了一个小信号和大信号的情况下去进行的提取，

• 这里SM的意思就是在访问small singal里面产生的数据，相当于这个基频也有频偏的。

• Iload（1,1）表示带有频偏的基频。

• 这里我们用它的电压除以电流，得到的就是输出阻抗与50欧姆并联的结果。

• 然后转化为Rho（ρ）
  

• 然后就可以显示下面这张图了。不同频率和不同功率对应的曲线。
  

• 这里可以通过左上角的滑块去调节频率和功率
  
  
  
  
  
  
  

• 输出阻抗随着输入功率变化的曲线，随着功率的变化，其显然是沿着功率圆在转的。
  

• 实线（蓝色）不同的位置，随着功率变化，沿着某些圆在转
  

• 如果我们看这里的等电导圆，我们可以现在从小信号到打信号，其电导是增加的。

• 它的原因是，当漏极信号电压摆幅增加的时候，管子（比如在C类工作，其近似关闭的状态），其Rout是一个较大的值。但是随着功率的增加，信号摆幅也增加了，管子会强行被交流信号给冲开，因此会构成蓝色这样的曲线。这个曲线显示在S参数的反射系数圆上，但他并不是用反射系数来仿真参数的。

• 可以看到在某些偏置点下，输入阻抗（红色点）随着功率的变化，在放大器的模式下，其实是基本不变的。这是因为中和电容屏蔽了Cjd的弥勒效应的影响。而弥勒效应会通过gm进一步影响输入阻抗的虚部，如果把它屏蔽了就只剩下Cjs的影响了。这个情况依然会因为信号功率产生一定的影响，其原因是真正的输入电容cgs，是有栅氧化电容和氧化层下面到body的电容共同决定的。所以它在小信号和大信号不同偏置的时候表现出不同的电容容值
  

• 实际去做匹配的时候，有两种方式，一种是负载牵引。比如倍频器（二倍频）做一个负载牵引，根据牵引的结果来去选择，从50欧姆匹配到负载牵引匹配出来的值

• 比如这里对中和电容做了负载牵引。会得到PAE圆（相当与时从管子的漏极向右看，得到了一个最优输出功率的值）
  

• 在偏置在A类的情况下，可以看到有明显的增益压缩，随着输出功率的增加，增益在往下掉。

• 这里需要我们做个实验，将管子偏置在A类，比如Vth是0.3，把vgs设为0.4，如何构造一个上翘的增益曲线。

• 如何利用这样上翘的增益曲线去增大放大器的线性呢？
  

• 可以看这个模板
  

• 或者这个模板

• 第二个是关注AM和PM，如果做一些星座图高阶的PA会用到。就是如果输入功率在变化的时候，从输入传输到输出会有个相位延迟or相位响应。如果把变压器也考虑进去，而不只是考虑有晶体管的话，对于一个级联的放大器来说，它的相位频率响应是如何用解析解表达的。

• 引起AM-PM的转化，就是输入信号AEM变大的时候，它会调制PA的相位，产生相位随功率的变化，这种变化会对星座图非常不好的。会让整个星座图在不同的输入功率的情况下进行旋转，跟飞镖的形状，那么这样就全失真了。

• 如何克服这样的现象呢？我们可以往变压器上插入一些变容管的，让其自适应随着
  

• 此外还有额外的作业是，当得到大信号这个平面曲线后，如何做到自动匹配呢？

• 从仿真的图里面调一个measure equation出来，
  

• 然后把刚才的两个公式原封不动的抄进来，它的仿真结果出现在dataset数据文件里面。
  

• 找到ds文件
  

• dataset中是可以直接访问到上次提取的文件。
  
• 然后就可以直接把Zoutput带入到term里面
  
  
• 如果有相应的数据这里会有弹出的选项可以选。
  
• 那么在这个term中相当于同时把功率和频率都带进去了。
• 然后再调入一个变量进来，叫做RFpower
  

Loadpull

• 然后开启优化，同时对频率和功率进行优化扫描。就可以让其收敛。如果不优化就要用PPT最后一页的公式
• 实际上很简单，就是在漏极加上额外的并联电容，可以使得那个圆在功率圆上收敛。
  
  

查看案例example

• 最后做一件事情，加上这些寄生之后，与理想的原理图性能相差了多少。
• 点击这里example有很多射频的案例
  
  
• ADS中是有现成的example的，因此我们可以直接调用这些example