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NOTE DE L'ÉDITEUR
Cet article est la réédition actualisée de l’article E3450 intitulé « Simulation des circuits analogiques et mixtes » paru en 2009, rédigé par Joël BESNARD, Pascal BOLCATO, Dézai GLAO, Hervé GUÉGAN.
RÉSUMÉ
La simulation des circuits analogiques et mixtes constitue une étape clé dans les flots de conception et de vérification des circuits électroniques. Cet article fait le point sur l’offre existante sur le marché des simulateurs en montrant comment celle-ci s’est adaptée aux principales caractéristiques des circuits intégrés actuels. L’article décrit par la suite les méthodes numériques, algorithmes et analyses fondamentaux permettant de simuler les circuits purement analogiques, les circuits de communication RF et microondes et finalement les circuits mixtes qui combine une simulation dirigée par le temps et une simulation dirigée par évènements.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Joël BESNARD : Engineering manager - Mentor Graphics, Montbonnot, France
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Pascal BOLCATO : Engineering director, Analog and RF Simulation - Mentor Graphics, Montbonnot, France
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Dézaï GLAO : Staff engineer - Mentor Graphics, Montbonnot, France
INTRODUCTION
La fin du XXe siècle a connu une évolution considérable des technologies de fabrication des circuits intégrés due principalement à la pression du marché des circuits électroniques de communication. Le début du XXIe connaît la même tendance avec l’apparition des objets connectés, des applications liées à la mobilité, des systèmes embarqués (notamment dans le secteur de l’automobile), du traitement des données en masse ou des dispositifs médicaux. Pour les concepteurs de circuits, il faut réduire le temps de mise sur le marché tout en satisfaisant à la fois aux demandes de performances accrues (consommation, poids, tailles et coûts réduits). À ces contraintes liées à l'utilisateur final, s'ajoutent les problèmes de sécurité (aviation, automobile), de connectivité et d'adaptation à des standards de plus en plus nombreux (WLAN (Wireless Local Area Network), Bluetooth, Wi-Fi (Wireless Fidelity)…). Il en résulte une explosion en termes de complexité de fonctionnement et de taille (en nombre de transistors) pour les circuits intégrés. Pour faire face à ces contraintes, on intègre sur une même puce SoC (System on Chip) ou dans un même boîtier SiP (System in Package) : microprocesseurs, mémoires, traitement analogique et numérique du signal, circuits d'interface, système d'exploitation, composants de radiofréquences, etc.
Le temps de mise sur le marché du produit étant un facteur crucial de réussite, ces systèmes de grande complexité doivent être conçus, vérifiés et validés de manière sûre. Les coûts de fabrication étant très élevés, les tentatives multiples ne sauraient être tolérées.
Les acteurs du marché de l'EDA (Electronic Design Automation) fournissent aux fabricants de circuits intégrés des flots de conception, mais aussi de vérification alliant méthodologies, logiciels et matériels appareillés pour respecter au mieux les exigences précédemment citées.
L'un des éléments clés de ces deux flots est le simulateur électrique à niveaux d'abstractions mixtes, signaux mixtes et RF (radiofréquences). Nous le désignerons tout simplement : simulateur AMS/RF pour Analog Mixed Signal/RF. Il devra être capable à la fois de supporter des niveaux d'abstraction de plus en plus élevés (les choix de technologies étant reportés le plus tard possible) et de prendre en compte des détails électriques de plus en plus fins (connexions d'alimentations par exemple) afin de répondre aux nouvelles technologies. En même temps que l'échelle d'abstraction s'étire dans les deux sens, d'autres domaines, autres qu'électriques et thermiques, doivent aussi pouvoir être pris en compte : mécanique, optique, biologie…
L’objectif de cet article est d’une part de présenter l’offre du marché des simulateurs des circuits et de montrer comment celle-ci s’adapte aux enjeux décrits ci-dessus, et d’autre part d'offrir au lecteur les bases nécessaires à la compréhension de leur fonctionnement ainsi que de leur usage.
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire des termes utilisés.
L'expertise technique et scientifique de référence
MOTS-CLÉS
VERSIONS
- Version archivée 1 de sept. 1982 par
- Version archivée 2 de mars 1993 par René FRANÇOIS
- Version archivée 3 de nov. 2009 par Joël BESNARD, Pascal BOLCATO, Dézai GLAO, Hervé GUÉGAN
DOI (Digital Object Identifier)
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Simulation des circuits numériques
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3. Simulation des circuits en radiofréquence
L'objectif de ce paragraphe est de décrire les méthodes de simulations utilisées pour l'analyse de circuits radiofréquences (RF). Ces circuits servent principalement dans les systèmes de communication sans fil (téléphones cellulaires, périphériques de réseaux personnels ou locaux…). Les circuits RF, ainsi que les signaux qui les parcourent, sont plutôt de nature analogique. Donc une partie de la phase de conception de ces circuits peut utiliser les analyses décrites dans le précédent chapitre (analyses DC, AC et éventuellement TRAN). Mais, de par la forme particulière des signaux traités, ainsi que les gammes de fréquences en jeu, des algorithmes et des analyses spécifiques ont été développés afin de faciliter la tâche des concepteurs de systèmes RF.
La figure 15 illustre un exemple de circuit de communication sans fil. Il s'agit d'un récepteur superhétérodyne contenant différents blocs de base (amplificateurs, filtres, oscillateurs, mélangeurs…). Les signaux manipulés par ces blocs vont être périodiques, quasi périodiques ou de type modulés, avec une gamme de fréquences allant de quelques GHz pour la partie RF à quelques KHz pour la partie en bande de base. De plus, les blocs de base sont de natures très différentes. Certains fonctionnent en régime dit forcé (amplificateurs, mélangeurs, filtres, diviseurs de fréquences…), c'est-à-dire qu'ils sont stimulés par un ou plusieurs signaux d'entrée et que leurs réponses sont synchronisées sur ces signaux). D'autres sont en régime autonome (oscillateurs), c'est-à-dire qu'ils génèrent de manière autonome et non synchronisée leurs signaux de sortie. Certains sont quasiment linéaires (amplificateurs à faible bruit, filtres…) et d'autres non linéaires voire fortement non linéaires (mélangeurs, diviseurs de fréquences…). Certains de ces circuits ont des temps d'établissement relativement courts, relativement à la période du signal traité par le circuit, (diviseurs de fréquences…). D'autres blocs seront beaucoup plus sélectifs avec des temps d'établissement pouvant comporter plusieurs centaines ou milliers de périodes de signal (amplificateurs à faible bruit, oscillateurs à fort coefficient de qualité, filtres très sélectifs…).
Imaginons maintenant l'utilisation d'une analyse transitoire pour simuler le comportement d'un circuit sélectif...
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Simulation des circuits en radiofréquence
BIBLIOGRAPHIE
-
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(3) - McCalla - Fundamentals of Computer-Aided Circuit simulation. - Kluwer academic publishers, Boston (1993).
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(4) - NAGEL (L.W.) - SPICE2 : A computer program to simulate semiconductor circuits. - Research Labolatory, College of engineering University of california(May 1975).
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(5) - BERRY (R.D.) - Ak Optimal Ordering of Electronic Circuit Equations for a sparseMatrix Solution. - I IEEE Trans. Circuit theory CT, pp. 139-146 (18 January1971).
-
(6) - BRENNAN (K.), CAMPBELL (S.), PETZOLD (L.) - The...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Mentor Graphics (Afs, Eldo, Eldo-RF, ADiT, ADVance-MS, HyperLynx)
Keysight Technologies
Cadence (Spectre, Spectre-RF, Ultrasim, AMS Designer, Zuken, Pspice)
Synopsys (Hspice, Hsim/XA, AMS Discovery)
ANSYS
HAUT DE PAGE1.2 Organismes, comités œuvrant pour la standardisation
IEEE : Promotion de la connaissance dans le domaine de l'ingénierieélectrique
ACCELERA : Standardisation des langages HDL (verilog, vhdl)
CMC : Standardisation et promotion de l'utilisation et de l'implémentationdes modèles « compacts » de composants
IRDS : Structure coordinatrice sponsorisée par IEEE chargée d'élaborer une feuille de route commune pour l'industrie électronique
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