Com o rápido desenvolvimento das comunicações sem fios, dos sistemas de radar e do equipamento eletrónico militar, a procura de elevado desempenho, elevada integração e miniaturização nos sistemas de RF tornou-se cada vez mais urgente. Neste contexto, Chips RF são os principais componentes do front-end de RF, e a sua tecnologia de conceção e modelação é crucial para melhorar o desempenho do sistema. Particularmente na era pós-Moore, em que o escalonamento tradicional de processos enfrenta estrangulamentos, a tecnologia de modelação baseada em IP para Chips RF surgiu como um caminho essencial para conseguir uma iteração rápida do sistema e uma conceção colaborativa eficiente.

Antecedentes e importância da modelação de IP de circuitos integrados de RF

Modelação de IP de chips de RF refere-se ao encapsulamento das funcionalidades, do desempenho e das informações de disposição dos chips de RF em núcleos de propriedade intelectual (PI) reutilizáveis, permitindo que sejam rapidamente chamados e integrados em diferentes sistemas, à semelhança dos núcleos de PI digital. Esta tecnologia é particularmente adequada para módulos de circuitos chave, como amplificadores de potência e comutadores em processos de semicondutores de terceira geração, como GaAs e GaN. Ao construir modelos precisos de dispositivos e combiná-los com a simulação de layout de chip, é possível criar IPs de chip de RF que reflectem todas as caraterísticas do chip, permitindo a conceção colaborativa e a previsão do desempenho do dispositivo para o sistema.

Fundamentos teóricos da modelação de chips de RF

A modelação de chips de RF divide-se principalmente em modelos comportamentais e modelos compactos. Os modelos comportamentais baseiam-se em relações de entrada-saída para criar um mapeamento de caixa negra, tornando-os adequados para a simulação ao nível do sistema. Os modelos compactos, por outro lado, constroem circuitos equivalentes a partir das propriedades físicas do dispositivo e fornecem um significado físico claro e escalabilidade. Em Chips RF, Os HEMTs e os díodos PIN são dois dispositivos activos fundamentais, e os seus mecanismos operacionais e a precisão da modelização têm um impacto direto na previsão do desempenho global do chip.

Práticas de modelação para chips de RF de amplificadores de potência GaAs e GaN

Este artigo apresenta modelos IP para chips amplificadores de potência GaAs de ondas milimétricas e chips amplificadores de potência GaN de banda X:

Em Tecnologia GaAs: Foi utilizado um modelo empírico EEHEMT e, através do teste e adaptação de DC, parâmetros S e caraterísticas de grandes sinais, foi criado um modelo de amplificador de potência com uma precisão superior a 90% na gama de frequências de 29-39 GHz.

Em Tecnologia GaN: Foi proposto um modelo quase físico de partição de regiões, que considera plenamente os efeitos do auto-aquecimento e dos efeitos de armadilha. A precisão da previsão da potência de saída e do ganho na banda X é superior a 95%.

Ambos os modelos foram combinados com simulações de layout de chips para verificar a sua aplicabilidade em circuitos reais, demonstrando as elevadas capacidades de previsão do IPs de chip de RF em sistemas práticos.

Explorando a modelagem para chips de RF com interrutor PIN

Para os chips de comutação de díodos PIN baseados em GaAs, foi desenvolvido um modelo físico a partir da equação de difusão bipolar, considerando a modulação da condução e os efeitos de armazenamento de portadores. O modelo foi então representado com precisão nos domínios da frequência e do tempo através dos métodos de aproximação Pade e de circuito equivalente. O modelo, quando combinado com a disposição do comutador para simulação, demonstrou boa precisão em cenários de pequeno sinal e de grande sinal parcial, fornecendo suporte técnico para o estabelecimento de IPs do tipo comutador em Chips RF.

Conclusão e perspectivas futuras

Este artigo estuda sistematicamente as principais tecnologias de modelação baseadas no IP para Chips RF, que abrange a abordagem de ligação completa, desde a física do dispositivo até à simulação do sistema. Ao desenvolver modelos precisos para chips de amplificadores de potência GaAs e GaN e chips de interruptores PIN, verificou-se o enorme potencial da modelação IP para melhorar a eficiência da conceção e reduzir os ciclos de I&D.

No futuro, Modelação de IP de chips de RF A tecnologia ainda enfrenta os seguintes desafios e direcções de desenvolvimento:

Melhorar ainda mais a convergência do modelo e a consistência física, especialmente em termos de capacitância não linear e de acoplamento termo-electro-armadilha.

Desenvolver quadros de modelação mais versáteis e escaláveis para Chips RF que lidam com aplicações multi-processo, multi-frequência e multi-função.

Reforçar a integração profunda de modelos com ferramentas EDA para promover a normalização e a utilização generalizada de IPs de chip de RF no sector.

Em conclusão, a modelação baseada no IP de Chips RF não é apenas uma tendência inevitável do desenvolvimento tecnológico, mas também o motor central para alcançar um desenvolvimento de alto desempenho, de ciclo curto e de baixo custo para a próxima geração de sistemas de RF. Com a melhoria contínua dos métodos de modelação e a expansão dos cenários de aplicação, IPs de chip de RF desempenharão um papel cada vez mais importante em domínios como o 5G/6G, as comunicações por satélite e a eletrónica de defesa.