“優(yōu)化”使模擬IC達到極限性能

數(shù)十年來，微波設(shè)計人員在設(shè)計中一直運用優(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)計人員也能夠很容易地建立并高效地在其設(shè)計上進行優(yōu)化。

不同于以往的電路優(yōu)化器必需主要在批模式 (batch mode)下進行單調(diào)冗長的設(shè)置和運行，這些更新穎的解決方案是專門設(shè)計用來使電路設(shè)計創(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)問題的實際情況和設(shè)計空間寬度來予以具體運用。其中許多算法是從一個用戶定義初始點開始，在設(shè)計空間進行搜索尋找局部最優(yōu)點。另外還有一些方法則能夠搜索整個設(shè)計空間尋找全局最優(yōu)點。

讓我們來分析一個應(yīng)用實例，該例中模擬IC的要求是把中間寬帶信號放大到2GHz。作為一個運算放大器，這個IC總是用于閉環(huán)結(jié)構(gòu)，在這些頻率下，實乃一個真正的挑戰(zhàn)。因此，信號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)來實現(xiàn)。

這種放大器旨在滿足或超越帶寬和增益要求，同時把功率減至最小，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)計人員就可能需要耗費數(shù)小時甚至數(shù)日的時間，更不用說尋找最佳解決方案了。通常，為節(jié)省時間起見，設(shè)計人員不得不勉強接受一種沒有發(fā)揮設(shè)計最大潛力的勉強可接收的解決方案。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、大于還是等于某個值即可(適用的話，也可以是在某個頻率或時間范圍上的某個取值范圍)。

一旦這些目標(biāo)、權(quán)值、設(shè)計參數(shù)和約束被定義好，優(yōu)化器就準(zhǔn)備運行了。由于該放大器具有離散設(shè)計參數(shù)，故可以應(yīng)用指針?biāo)惴ɑ螂S機算法。本例中指針?biāo)惴ǜm合，因為這種算法一般對仿真運行時間代價高昂的非線性問題更有效。優(yōu)化器運行50次迭代后分析結(jié)果將發(fā)現(xiàn)，代價函數(shù)(cost function)得到充分改善。進行最終調(diào)節(jié)之后，優(yōu)化器耗時30分鐘左右共運行100次迭代以進一步優(yōu)化那些參數(shù)。
　
在這一點上，可通過細化目標(biāo)權(quán)值來提高性能，代價是犧牲其它一些要求。而且，隨優(yōu)化進程的繼續(xù)，某些設(shè)計參數(shù)的重要性降低，然后不再有用。再增加100次迭代運行/迭代加細，繼續(xù)優(yōu)化過程，最終得到總體權(quán)衡后的選項。這種交互作用對最大限度地實現(xiàn)優(yōu)化是至關(guān)重要的。該優(yōu)化進程共需好幾個小時，但設(shè)計者確信能夠?qū)崿F(xiàn)全面的權(quán)衡，使放大器的性能達到極限。


作者: James Spoto

總裁兼CEO

Applied Wave Research公司