善用放大器進(jìn)行模擬IC極限性能設(shè)計(jì)優(yōu)化

標(biāo)簽：模擬 電子 IT

數(shù)十年來，微波設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中一直運(yùn)用優(yōu)化方法來提高和集中電路的性能。得益于過去十年間開發(fā)出的一些新技術(shù)，現(xiàn)在模擬IC設(shè)計(jì)人員也能夠很容易地建立并高效地在其設(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化。

不同于以往的電路優(yōu)化器必需主要在批模式 (batch mode)下進(jìn)行單調(diào)冗長的設(shè)置和運(yùn)行，這些更新穎的解決方案是專門設(shè)計(jì)用來使電路設(shè)計(jì)創(chuàng)建階段的設(shè)置和交互式使用更加便捷輕松。雖然許多解決方案只包含一種算法，但有些工具現(xiàn)在可提供許多的優(yōu)化算法和方法，可根據(jù)問題的實(shí)際情況和設(shè)計(jì)空間寬度來予以具體運(yùn)用。其中許多算法是從一個(gè)用戶定義初始點(diǎn)開始，在設(shè)計(jì)空間進(jìn)行搜索尋找局部最優(yōu)點(diǎn)。另外還有一些方法則能夠搜索整個(gè)設(shè)計(jì)空間尋找全局最優(yōu)點(diǎn)。

讓我們來分析一個(gè)應(yīng)用實(shí)例，該例中模擬IC的要求是把中間寬帶信號(hào)放大到2GHz。作為一個(gè)運(yùn)算放大器，這個(gè)IC總是用于閉環(huán)結(jié)構(gòu)，在這些頻率下，實(shí)乃一個(gè)真正的挑戰(zhàn)。因此，信號(hào)通過放大器后的相移必須保持在最小。由于這種高頻要求，該放大器將采用60GHz硅鍺技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

這種放大器旨在滿足或超越帶寬和增益要求，同時(shí)把功率減至最小，并保持穩(wěn)定性。的確，這些要求彼此間非常矛盾。單單滿足這些規(guī)格要求，設(shè)計(jì)人員就可能需要耗費(fèi)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)日的時(shí)間，更不用說尋找最佳解決方案了。通常，為節(jié)省時(shí)間起見，設(shè)計(jì)人員不得不勉強(qiáng)接受一種沒有發(fā)揮設(shè)計(jì)最大潛力的勉強(qiáng)可接收的解決方案。而這正是優(yōu)化能真正發(fā)揮優(yōu)勢的地方。

除帶寬以外，還必須考慮到增益、功率和穩(wěn)定性等其它要求。在本例中，電源抑制比和優(yōu)先直流偏移也都是優(yōu)化中的權(quán)衡因素。這些目標(biāo)大部分為不均等約束條件，須小于或大于某一目標(biāo)值或線段。

定義了測量參數(shù)之后，設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)就很容易了。用戶只需簡單地挑選優(yōu)化進(jìn)程(optimization session)中需要的測量參數(shù)，并選擇是使其小于、大于還是等于某個(gè)值即可(適用的話，也可以是在某個(gè)頻率或時(shí)間范圍上的某個(gè)取值范圍)。

一旦這些目標(biāo)、權(quán)值、設(shè)計(jì)參數(shù)和約束被定義好，優(yōu)化器就準(zhǔn)備運(yùn)行了。由于該放大器具有離散設(shè)計(jì)參數(shù)，故可以應(yīng)用指針?biāo)惴ɑ螂S機(jī)算法。本例中指針?biāo)惴ǜm合，因?yàn)檫@種算法一般對(duì)仿真運(yùn)行時(shí)間代價(jià)高昂的非線性問題更有效。優(yōu)化器運(yùn)行50次迭代后分析結(jié)果將發(fā)現(xiàn)，代價(jià)函數(shù)(cost function)得到充分改善。進(jìn)行最終調(diào)節(jié)之后，優(yōu)化器耗時(shí)30分鐘左右共運(yùn)行100次迭代以進(jìn)一步優(yōu)化那些參數(shù)。

在這一點(diǎn)上，可通過細(xì)化目標(biāo)權(quán)值來提高性能，代價(jià)是犧牲其它一些要求。而且，隨優(yōu)化進(jìn)程的繼續(xù)，某些設(shè)計(jì)參數(shù)的重要性降低，然后不再有用。再增加100次迭代運(yùn)行/迭代加細(xì)，繼續(xù)優(yōu)化過程，最終得到總體權(quán)衡后的選項(xiàng)。這種交互作用對(duì)最大限度地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化是至關(guān)重要的。該優(yōu)化進(jìn)程共需好幾個(gè)小時(shí)，但設(shè)計(jì)者確信能夠?qū)崿F(xiàn)全面的權(quán)衡，使放大器的性能達(dá)到極限。