WO2009071782A2 - Method for modelling the sensitivity of a cell of analogue and/or radio-frequency type and software implementing this method - Google Patents

Method for modelling the sensitivity of a cell of analogue and/or radio-frequency type and software implementing this method Download PDF

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WO2009071782A2
WO2009071782A2 PCT/FR2008/052062 FR2008052062W WO2009071782A2 WO 2009071782 A2 WO2009071782 A2 WO 2009071782A2 FR 2008052062 W FR2008052062 W FR 2008052062W WO 2009071782 A2 WO2009071782 A2 WO 2009071782A2
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WO
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noise
frequency
vco
sensitivity
amplitude
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PCT/FR2008/052062
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French (fr)
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WO2009071782A3 (en
Inventor
François CLEMENT
Amine Dhia
Vincent Janicot
Original Assignee
Coupling Wave Solutions Cws
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Publication date
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Publication of WO2009071782A3 publication Critical patent/WO2009071782A3/en

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    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/30Circuit design
    • G06F30/36Circuit design at the analogue level
    • G06F30/367Design verification, e.g. using simulation, simulation program with integrated circuit emphasis [SPICE], direct methods or relaxation methods

Definitions

  • the invention relates to a method for modeling the sensitivity of a cell of analog and / or radio-frequency (RF) type as well as the software implementing this method.
  • the object of the invention is in particular to define and model the sensitivity of the analog and / or RF circuits to external noise injected near these circuits.
  • the invention finds a particularly advantageous, but not exclusive, application in the field of CAD (Computer Aided Design), for the design of mixed electronic systems comprising analog and digital components.
  • CAD Computer Aided Design
  • the electronic systems include integrated circuits on a single silicon block, or on several silicon substrates in the same package, for example SoCs (System on Chips) and SiPs (System in Package or System in a Box).
  • SoCs System on Chips
  • SiPs System in Package or System in a Box
  • the invention could also be applied for the design of electronic systems comprising components (integrated or not) on a printed circuit.
  • the manufacture of electronic systems is a very expensive operation, particularly when the system comprises one or more components integrated on silicon. Therefore, before starting a mass production, it is essential to control all the manufacturing parameters, and to give some of the values that maximize the probability that the manufactured circuit works properly.
  • noise generating circuits the aggressors
  • noise sensitive circuits the victims
  • noise generators all the circuits of the system can be considered as noise generators (aggressors).
  • the noise generating circuits in the group comprising: digital circuits, memory cells, analog and radio-frequency (RF) circuits, such as VCOs (Voltage Controlled Oscillator), amplifiers power, and input-output circuits.
  • RF radio-frequency
  • a circuit comprising at least one noise generating circuit is itself considered as a noise generating circuit.
  • the noise-sensitive circuits are selected from the group consisting of: analog and RF circuits, such as amplifiers, filters, oscillators, mixers, sample-and-hold devices, memory type digital circuits, phase, input-output circuits, frequency dividers / multipliers, automatic gain controllers (AGCs), and voltage references.
  • analog and RF circuits such as amplifiers, filters, oscillators, mixers, sample-and-hold devices, memory type digital circuits, phase, input-output circuits, frequency dividers / multipliers, automatic gain controllers (AGCs), and voltage references.
  • AGCs automatic gain controllers
  • noise generated by the attackers in particular the switching noise generated by the digital cells as well as the noise injected by the analog / RF / mixed cells (VCO, PLL, etc.), spreads to the victims via the substrates on which are mounted circuits, metal interconnects and housings. This noise tends to degrade the performance of the victims. This degradation may be such that the sensitive functions no longer meet the initial specifications. In the rest of the document, noise will be understood to mean any signal generated by an aggressor block that has an unwanted influence on the victims.
  • IP intellectual property
  • analog and / or RF blocks of which only the function they perform is perfectly known, the interior architecture being carefully kept secret in order to protect the know-how.
  • integrators who are often part of a team or company other than the IP designer) combine these IP blocks together to create complete mixed systems. The integrator needs the collaboration of the IP block designer to model the sensitivity of the IP block as part of the complete system it plans to implement.
  • retro-annotation is meant the method which consists first of all in simulating or measuring the noise reaching critical input points of an analog or RF cell on a complete system and in a second time in adding the sources of noise equivalent to the netlist of the cell to simulate its behavior in the presence of this noise.
  • the designer of the IP block transmits to the integrator only the minimum information necessary for the integration of the circuit that he has developed, so as we have seen to protect his know-how.
  • this minimum information is generally not sufficient to simulate the behavior of the block vis-à-vis the integrity of the analog and RF signals.
  • the integrators often do not have sufficient knowledge of the functionality of the IP blocks to be integrated for perform the necessary simulations to model the sensitivity of these blocks.
  • Another method is to define, for each block of analog IP and / or RF to integrate, a maximum noise mask tolerated by the considered block. For a noise having a level higher than the threshold indicated by the template of the cell, the integrator considers that the cell does not meet the initial specifications. While for a noise having a level below the threshold indicated by the template, the integrator may consider that the cell meets the initial specifications.
  • the integrator of a given system has a set of specifications to be respected, these specifications generally being set by the specifications (or the standard). It therefore has the ability to distribute the noise tolerable by the circuit (noise budget) on all blocks to achieve a balance respecting the specifications, which does not allow the method implementing the templates.
  • the invention solves the aforementioned problems by allowing in particular the system integrator to have the exact response of a given block noise reaching after integration.
  • each analog cell or RF is considered to be a transfer function between: an aggression (noise) injected on one or more points of entry of the cell, these entry points being able to correspond to the cell inputs, such as the inputs receiving the signals to be processed or the supply voltages or at points of injection of noise internal to the cell, and - noise-influenced output impacts and reflecting the degradation of one or more features of the circuit.
  • These output impacts may for example be the amplitude or the frequency of an output signal of the sensitive cell, a difference between the ideal output level and the actual output level, or the figure of noise observable on a given output, or a more abstract data such as information indicating whether the cell is working or not.
  • the different classes of analog and / or RF circuits used in SoCs / SiPs correspond to the different types of sensitive circuits identified above, namely: amplifiers (power or low noise), frequency mixers, dividers / multipliers Frequency Controllers, AGC (Amplifier Gain Control), Oscillators (Quartz, Voltage Controlled (VCO), Relaxed ..) and Phase Locked Loops (PLLs); filters, mixed systems aggregating many of these cells.
  • the noise injection points on the circuit, the outputs impacted by the injected noise, and the noise coupling between the input noise forms and the impacts on the functionalities of the circuit are identified. cell.
  • the noise injection points in the sensitive cell can be determined manually, thanks to the expertise of the analog / RF designer, or automatically through a series of dedicated simulations. At least the supply inputs of the analog and / or RF sensitive circuit are selected as noise injection inputs.
  • cell sensitivity modeling can be performed using an analytical model, an empirical model, or a hybrid model to establish a relationship between the identified inputs and outputs.
  • the choice of the model depends on the level of knowledge one has of the interaction between the noise inputs and the impacts on the outputs observed.
  • the noise on the lines Power supply or control signal refers mainly to the output of a VCO (Voltage Controlled Oscillator) by AM-FM conversion, governed by the amplitude and frequency modulation equations. It is then a question of identifying and calculating the different parameters governing the model chosen thanks to specific simulations.
  • VCO Voltage Controlled Oscillator
  • neural networks are used to characterize the transfer function establishing the relationship between the noise injection inputs and the output impacts.
  • An application of this empirical modeling consists in characterizing the degradation of the output of a power amplifier attacked by an external noise in terms of inter-channel interference, a typical measurement of which is the Adjacent Channel Power Ratio (ACPR), by Fourier Envelope simulations using a commercial RF simulator.
  • ACPR Adjacent Channel Power Ratio
  • a complex system can be treated as a single cell if a methodology for simulating its noise sensitivity can be applied directly and in reasonable time.
  • the system can be broken down into functional blocks and each block is characterized individually, the noise disturbances at the output of a block being added to the inputs of the next block.
  • the model of the system results from the composition of the models of the different blocks.
  • the models of the blocks constituting each loop must be applied according to an iterative process until convergence. More precisely, at a given iteration of this process, the open-loop system is considered, which makes it possible to calculate the noise disturbance at the loop output by composition. This disturbance is reported on the input of the loop at the next iteration.
  • a finite number of iterations makes it possible to obtain forms of noise no longer evolving significantly from one iteration to another: it is said that the process has converged.
  • a system composed of a set of cells can be treated in the same way, that is to say by combining the models of the different cells that make it up.
  • the designers of analog and RF IP blocks have the possibility of modeling the sensitivity of the block concerned. This modeling allows them first of all to maximize the block's immunity to external noise, and then to attach to the block, a noise impact modeling, which will be used during the physical implementation.
  • the integrator will be able to directly and rapidly determine the degradation of the critical functions of this circuit within a complete system by applying the noise forms (measured or simulated by dedicated tools) to the inputs of the sensitivity models obtained. by the designer at the modeling stage.
  • the system integrator will thus be able to predict the degradation of the functionalities of the block, that is to say the impact of the noise after the integration, without having to carry out any complex and expensive transistor simulations, and without the need of access detailed data from the block (for example the netlist) kept secret by the IP designer, which facilitates the dialogue between the designer and the integrator of IP blocks.
  • the invention allows the integrator to better manage the maximum noise on the circuit, offering him a wider margin of maneuver to distribute the noise in the circuit and result in a positive balance of noise distribution.
  • the invention therefore relates to a method for modeling the sensitivity to noise of a sensitive electronic circuit of analog and / or radio frequency type, characterized in that it comprises the following steps:
  • the noise injection inputs of the cell on which noise signals outside the cell are likely to be injected are selected from among the terminals of the cell;
  • output impacts such as the amplitude or the frequency of the signal of one of the outputs of the cell or the value of a noise band in an output signal of the cell, influenced by the injection of the input noise signals, and
  • the sensitivity model providing the relationship between the noise signals injected on the noise injection inputs and the selected output impacts is calculated, and this sensitivity model is associated with the description of the sensitive cell, this description of the sensitive cell containing the data of the sensitive cell necessary for its integration but not all the details of its structure.
  • the data necessary for the integration include the layout of the sensitive circuit corresponding to the description of the masks of the circuit showing the various elements making up the circuit and their interconnections with each other.
  • the class of the sensitive circuit is selected from the group consisting of: power or low noise amplifiers, frequency mixers, frequency dividers / multipliers, automatic gain controllers, oscillators and loops phase-locked filters, the systems comprising several of the aforementioned cells.
  • the analytical function corresponding to the group of the determined sensitive circuit is determined, this function having coefficients that depend on the model of the circuit used and simulations are performed in order to extract the values of these coefficients.
  • the cell being a VCO
  • the noise injection points are chosen from the ground terminal, the power supply terminal and the control signal terminal, and the impacts are selected from the nearby noise band. the oscillation frequency of the output signal, the amplitude of the output signal at the oscillation frequency of the output signal, or the oscillation frequency of the output signal.
  • the amplitude value of the parasitic lines having a frequency equal to the oscillation frequency increased or decreased by a multiple of the noise frequency depends of
  • the amplitude of the output signal at the oscillation frequency of the VCO depends on the amplitude of the output signal at the oscillation frequency when no noise is injected multiplied by the product, for all the noise signals, of the Bessel Jo function of the first kind and of order 0 applied to the modulation index of each of these signals.
  • the sensitivity of the VCO frequency to the noise on the mass is defined by the ratio between - the variation of the frequency of the VCO, and
  • the actual oscillation frequency of the VCO output signal depends on the sum of - the ideal oscillation frequency of the VCO and
  • the sensitivity of the VCO frequency to the noise at a given input is defined by the ratio between
  • the oscillation frequency when no noise is injected to extract the parameters of the amplitude at the oscillation frequency when no noise is injected, the oscillation frequency when no noise is injected, the sensitivity of the oscillation frequency to noise on one of the noise injection inputs, and the sensitivity of the amplitude of the VCO to the noise on one of the noise injection inputs, in a test environment,
  • a parametric simulation is performed for each of the values of the control voltage, the noise sources then being considered as DC voltage sources whose amplitude is varied over a range of values from one micron to one millivolt, the amplitude and oscillation frequency at the output of the VCO are extracted for each amplitude of the noise sources, and
  • the test environment is defined in particular by the range of values of the control voltage of the VCO and its granularity.
  • the parameters of the RF simulations are defined.
  • the number of harmonics to be considered during the analysis depending on the non-linearity of the VCO, the desired accuracy, and performance options are defined.
  • the data relating to the sensitivity model is encrypted in a binary file in a specific format, allowing its exchange between development teams.
  • to determine the sensitivity model to determine the sensitivity model,
  • a neural network is configured by defining a number of layers of neurons
  • the neural network is trained with the data collected by simulation, and
  • the training method of the neural network is the Levenberg-Marquardt method.
  • the circuit is divided into several functional blocks, each block being individually modeled, the circuit model resulting from the combination of the models of the different blocks.
  • the use of the method according to the invention is combined with that of noise injection and propagation modeling methods in order to determine the influence of the noise on the entire electronic circuit.
  • the invention further relates to a software or an equivalent electronic circuit implementing the method according to the invention.
  • Figure 1 a diagram of the steps of the modeling method according to the invention in the case of an analytical approach and in the case of an empirical approach;
  • Figure 2 is a schematic representation of a single sensitive electronic circuit modeled by the method according to the invention.
  • FIG. 3 a schematic representation of a complex complex system decomposed into functional blocks modeled by the method according to the invention
  • Figures 4-5 respectively detailed and overall schematic representations of a conventional VCO (Voltage Controlled Oscillator) and different noise injection points;
  • VCO Voltage Controlled Oscillator
  • FIG. 6 a graphical representation of the spectrum of a signal applied at the input of a VCO and the spectrum of an observable signal at its output highlighting the noise coupling phenomena identified for the implementation of the invention
  • FIG. 7 a schematic representation of the implementation of a calculation algorithm according to the invention making it possible to obtain the amplitudes of the lines observable at the output of the VCO for an input noise signal having four lines;
  • FIG. 8 a table indicating in line the order and in column the index of the Bessel series term used in the sensitivity models of the VCO according to the invention
  • Figure 10 a schematic representation of a power amplifier whose sensitivity is modeled according to the empirical approach according to the invention
  • Figure 12 a schematic representation of the different frequency channels associated with the power amplifier and considered for the implementation of the invention
  • Figure 13 a schematic representation of an example of integration of the sensitivity modeling tool according to the invention in a global noise modeling system of an electronic system. Identical elements retain the same reference from one figure to another.
  • FIG. 1 shows a diagram of the sensitivity modeling method according to the invention in the case of an analytical approach and in the case of an empirical approach.
  • a first step 1.1 common to the analytical and empirical approach, the noise injection inputs of the cell as well as the output impacts reflecting the degradation of the functionality of the cell, such as the amplitude or frequency of the cell.
  • an output signal, a gap between the ideal output level and the actual output level, or the observable noise pattern on a given output, are identified.
  • a second step 1.2 of the analytical approach analytical expressions are determined that make it possible to derive the transfer functions between a noise signal applied to the inputs and the impacts on the outputs observed.
  • a third step 1.3 the parameters of the analytical equations to be determined for adapting the analytical equations to the studied cell are identified.
  • a fourth step 1.4 the values of the parameters are determined by simulation from a description of the circuit, and analysis parameters.
  • the sensitivity model is generated from the model interfaces (selected inputs / outputs), analytical equations, and extracted parameters.
  • a large number of simulations (nonlimiting examples: analog, RF, mixed, SPICE, VERILOG, VHDL) is performed on the circuit in a step 2.3, so as to obtain a set of input / output measurement pairs (output impacts) describing the system.
  • a large number of noise signal values are applied to the input of the sensitive cell and the output impact corresponding to each of the input values is measured by simulation.
  • the determination of the adequate number of inputs and outputs depends on the class and complexity of the cell studied and uses the expertise of the analog / RF designer who has the knowledge and simulation tools dedicated to this. type of investigation.
  • a neural network is configured in a step 2.2, in particular by defining the properties of the network necessary for the modeling, in particular the number of layers, the number of neurons per layer, the learning method, its parameterization, the criteria related to the convergence of the method and the desired precision of the model.
  • a learning step 2.4 the neural network is driven with the data collected during the simulation step based on principles of retro-propagation.
  • the so-called back propagation method consists in calculating the gradient of the error of each neuron of the network, from the last layer to the first one. This technique makes it possible to correct the errors (by modifying the synaptic weights of the network) according to the importance of the elements which have precisely contributed to the realization of these errors.
  • the training process is stopped when the model obtained reproduces the experiments (the pairs of inputs / outputs obtained by simulation) with the desired precision.
  • FIG. 2 shows a simple system whose sensitivity has been modeled by a block 5 having N noise injection points and P output showing the degradation have been identified, N and P being equal or different.
  • the P impacts can each take the form of a physical quantity, such as the amplitude or frequency of an output signal, or a message indicating whether the sensitive output is working properly or not.
  • the function f modeling the sensitivity of the cell ensures the relation between the inputs ni ... n N and the output impacts ii ... i P.
  • FIG. 3 thus shows a sensitivity model of a complex system 7 resulting from the composition of the models of two functional blocks k and k + 1 (7.1 and 7.2).
  • the noise signals are applied to the noise injection inputs n / ... n N k of the sensitivity model of the cell k whose function f makes it possible to obtain the corresponding output impacts h k ... ip k at these inputs, the output impacts being values of the observable noise at the output of the cell k.
  • the noise disturbances h k ... ip k observable at the output of the block k are then applied as inputs to the block k + 1, the noise generated by the cell k influencing the sensitive output impacts ii k + 1 ... i L k + 1 of the k + 1 cells.
  • the noise of the cell k propagates towards the cell k + 1 via the substrate, the interconnections and the housing of the system 7.
  • noise signals are injected on the M injection inputs of the cell k + 1.
  • the function f 1 ⁇ 1 of the cell calculates the values of the sensitive output impacts of the cell k + 1 as a function of the values of the noise signals applied to the inputs.
  • the processing chain of a radio frequency signal after reception by the antenna of a telephone is formed of a LNA followed by a mixer, itself controlled by a VCO.
  • the sensitivity model of this processing chain results from the combination of the sensitivity models of these three elements.
  • FIGS. 4 and 5 respectively show a detailed and global diagram of a VCO 12 which delivers a positive output signal VOUT + or negative VOUT- having an oscillation frequency LO (Local Oscillator). This LO frequency depends on the continuous value of the VCONTROL control voltage.
  • LO Local Oscillator
  • this VCO 12 is formed by transistors M1-M4, diodes D1, D2 and inductors L1 and L2 connected to each other and to the supply points VDD and VSS (ground) as shown in FIG.
  • the external noise signals B1-B3 are mainly injected by the VCONTROL control voltage terminal, the VSS ground terminal and the VDD power terminal.
  • Figure 6 shows the spectrum 9 of a VCO output signal obtained when an input signal having the frequency spectrum 10 is applied to one of the VCO noise inputs. This figure shows the dominant noise coupling mechanisms and performance degradation of the VCO 12 due to the impact of the B1-B3 noise signals applied to the noise injection inputs.
  • a noisy signal applied to the ground terminal can impact the output spectrum of the VCO in two different ways.
  • the noise present in the baseband 11 around the DC component of the input signal injected by the ground lines is found in the RF band 13 of the output of the VCO, in the surroundings of the LO frequency, as shown by the arrow A in Figure 6.
  • the output signal of the VCO is impacted in several ways by the noise injected on the inputs: the oscillation frequency LO of the output signal being erroneous, the amplitude of the output signal at the frequency LO being erroneous, and noise occurring near the LO frequency due to noise injected into the noise injection inputs.
  • the transfer functions between a noise signal injected on one of the noise injection inputs and the frequency and / or amplitude of the VCO output signal are determined analytically, and / or the amplitude of parasitic lines that appear around the LO frequency.
  • the sensitivity model is based on the dominant injection mechanism (AM-FM conversion) non-ideal metals of the mass.
  • a noise source B2 is added on the VSS port to model this non-ideality of the mass.
  • ⁇ (t) is the total angular displacement at time t.
  • the instantaneous frequency in radians / sec is:
  • Equation (9) is generally written in the form:
  • m f is the modulation index. It is proportional to the amplitude peak of the modulating signal and has an enl // m dependency.
  • Equation (15) can now be expanded to Bessel functions of the first kind, order n and argument m f :
  • a frequency-modulated signal consists of a carrier and a large number of side lines with amplitudes given by Bessel functions of the first kind and the modulation index argument m f .
  • the Bessel function of the first kind of order n is:
  • VOUT + VOUT +
  • VOUT- the differential output voltage of the VCO
  • f L0 the oscillation frequency of the VCO
  • a note is the amplitude of the sinusoidal input noise
  • K TM D is the sensitivity of the VCO frequency to the noise on the mass, defined by
  • KZiVCONTROL ⁇ (24) dV, GND
  • Equation (21) has been published in academic studies of Méndez and Soens ("Phase noise degradation of LC-tank VCOs due to substrate noise and package coupling" proc., 31st ESCIR pages 105-108, September 2005; Performance degradation of an LC-tank VCO by impact of digital switching noise "presented at the conference” European Solid-State circuits "in 2004, pages 119-121;” RF performance degradation due to coupling of digital switching noise in lightly doped substrates " February 2003. These studies are all based on the "small signal” hypothesis, which considers that the amplitude of the injected noise is negligible compared to the main signals present in a given circuit.
  • the invention implements equations (22) and (23) to the harmonics of 2 nd and 3 rd order, and the general equation below (25) in order to understand all coupling mechanisms with sufficient precision, and this in all possible aggression scenarios. These equations were validated by comparison with simulations.
  • ⁇ L0 is the amplitude of the output signal at LO oscillation frequency when no noise is injected
  • KL e is a DC voltage injected noise
  • KZ is the sensitivity of the amplitude at the LO frequency to the noise at the mass, defined by
  • a KZ [VCONTROL] ⁇ j £ - (28) to V GND -
  • the corresponding model is: where A L * 0 is the amplitude of the output signal at the LO oscillation frequency when no noise is injected, f no i is' a frequency sinusoidal noise at the input, A o, is the amplitude of sinusoidal noise,
  • K TM D is the sensitivity of the amplitude at the LO frequency to the ground noise defined by equation (24).
  • ⁇ 0 /; 0 + ⁇ ⁇ c ⁇ M (31) n
  • f * 0 is the oscillation frequency LO of the VCO when no noise is injected
  • a ° c is the DC voltage of the noise injected at the input n
  • K ⁇ M is the sensitivity of the LO frequency to the noise at the input n, defined by
  • the parameters to be calculated are, for each input n, the sensitivity of the frequency K ⁇ M and the sensitivity of the amplitude
  • VCO schematic such as a netlist or transistor models
  • the parameters of the RF analyzes such as the estimated LO frequency, the number of harmonics to be considered during the analysis which depends on the non-linearity of the VCO, the desired accuracy, the performance options and the accuracy of the simulations, and
  • test environment defined in particular by the ideal value of the bias voltage, the range of values of the control voltage and its granularity.
  • a first series of simulations without addition of external noise source is carried out, making it possible to extract the amplitude and the oscillation frequency LO of the VCO (parameters ⁇ L0 and f * 0 ) for each of the voltage values. applied controls.
  • a parametric simulation is automatically performed for each of the values of the control voltage.
  • the sources of noise are then considered as sources of DC voltage whose amplitude is varied over a range of values of the order of one micron to one millivolt. It is thus possible to extract the amplitude and the oscillation frequency LO at the output of the VCO for each amplitude of the noise sources.
  • the values of the parameters Kf 1 and K ⁇ M are calculated for each noise input n and for each control voltage value.
  • model interface the definition of noise inputs and modeled output impacts; as well as
  • the model can be used to simulate the impact corresponding to noise signals injected on the model inputs.
  • the user provides a list of input parameters, namely:
  • K the number of parasitic amplitude amplitudes around of the LO frequency
  • Kf 1 ⁇ VCONTROL and K TM ⁇ VCONTROL are calculated using interpolation, for example, 2-fold piecewise polynomial interpolation, from modeled tabulated values to simulated control voltages.
  • interpolation for example, 2-fold piecewise polynomial interpolation
  • N is the identifier of the noise input
  • p is the order of Bessel (see table figure 8)
  • k is the harmonic index
  • the number of lines (in other words the number of harmonics of the noise frequency) to be considered is noted K thereafter.
  • the amplitude of the output signal at the oscillation frequency LO can be decomposed into a contribution of the continuous noise terms and an FM contribution of the harmonic content of the noise:
  • a 10 A ⁇ + A TM (36)
  • the first term is calculated by not
  • the second term is calculated by
  • Figure 7 illustrates the algorithm for determining the contributions of each input line to the output noise.
  • An input noise signal is applied to Bessel operators that indicate the contributions of each of them to the output noise.
  • the contributions are added to each other by means of the adders 18.1-18.3.
  • the resulting contributions are then multiplied by the amplitude of the observable VCO at the oscillation frequency by means of the cells 19.1-19.4, in order to obtain the amplitude of the parasitic lines of order 1 to 4 observable at the output of the VCO.
  • a 0Uta A L0 [j 2 (n, ⁇ ) + J 1 ( ⁇ l)] (39b)
  • a 0UtA A w [ j 2 (n, 2) + J 1 (TiA)] (39d)
  • Figure 9 shows an example of a graphical output of the VCO sensitivity model (VCO output signal spectrum) for several noise injection cases and for a VCONTROL control voltage of 1V.
  • the curve 23 represented in dashed lines shows the observable output spectrum when the lowest possible noise is applied to the inputs noise injection (best case). This curve 23 is close to the ideal output spectrum comprising a single component at the oscillation frequency LO, the parasitic lines around this frequency having a very low amplitude.
  • Curve 24 shown in dotted lines shows the observable output spectrum when the highest possible noise signal is applied to the noise injection inputs (worst case).
  • the amplitude of the parasitic lines around the oscillation frequency LO is greater than in the best case, so that the peak of the curve 24 has a wider base than that of the curve 23.
  • the solid line curve 25 shows the spectrum of the VCO output signal when a typical (ie, medium level) noise signal is input to the model. This curve 25 is close to the curve 24 representing the worst case, which implies that the designer still has some leeway to immunize his circuit noise.
  • PA power amplifier
  • Figure 10 shows an overall diagram of the amplifier whose role is to increase the power of the input signal (Pin) by deforming it as little as possible.
  • the RF signal is a pure sine wave at the fundamental frequency of 900 megahertz
  • the frequency band of interest of the RF signal is wide of 3 MegaHertz of 898.5 MegaHertz to 901.5 MegaHertz
  • the clock frequency of the external noise B4 attacking the amplifier by its lines of mass is 1 MegaHertz
  • the amplifier PA being weakly nonlinear
  • only the following two noise transfer mechanisms are considered (FIG. 11): amplification (direct coupling) of the noise harmonics of the RF band, this mechanism being referenced by the arrow 2, o mixture by inter-modulation (indirect coupling) of the harmonics of the baseband with the RF signal, this mechanism being referenced by the arrow 1.
  • ACPR Adjacent Channel Power Ratio
  • the fundamental frequency of the noise is 1 MegaHertz
  • the frequency bands are the baseband (1.5 MegaHertz wide) and the RF band (3 MegaHertz wide);
  • the noise arriving at the mass follows a Gaussian distribution of nominal value -50 dB (Volts) and standard deviation 0.96;
  • the network comprises a single hidden (internal) layer whose number of neurons is twice the number of inputs, definition of the neural network learning method as well as stopping criteria: in this example, the Levenberg-Marquardt method is chosen for its rapid convergence qualities.
  • the first step is the characterization of the sensitivity of the amplifier by simulation (thanks to the Eldo RF TM third party simulator). Once the simulation data has been collected, then the initialization of the neural network and its training (learning phase) begins. In this example, ten iterations make it possible to obtain an accuracy of 0.1% on the response of the model to the simulation data.
  • the model thus obtained is scanned into a binary file which can then be reused to apply "real" noise forms (simulated or measured on the complete system) to the input of the model and quickly obtain ACPR outputs by simulating the neural network.
  • the system integrator can thus evaluate the impact of the noise on the sensitive amplifier without knowing the detail of this block nor having the know-how necessary for the simulation of this block.
  • Figure 13 shows a schematic representation of the integration of the invention in a global platform for modeling the injection and sensitivity to noise. Such a platform is described in French Patent Application No. 0552363.
  • a netlist 27 of an IP block to be modeled is applied to the input of the module 30, this netlist comprising information relating to the elements of this block and to the interconnections between these elements.
  • data 28 relating to the sensitivity of the block sensitivity directives are also transmitted to the module 30.
  • the module 30 then defines the noise injection inputs, the identified impacts, the functions to be modeled establishing the relation between the noise injection inputs and the impacts, the simulation parameters, such as the number of input-impact couples. to simulate in an empirical mode of operation, as well as the modeling parameters.
  • the module 39 then represents the result of the simulations in graphical or table form which indicates the sensitive outputs (impacts) as a function of the injected noise signals.
  • the invention may for example be implemented for the design of systems type SoC (System on Chip) and SiP (System In Package) to study their sensitivity to noise.
  • the invention can thus for example be implemented for: - low-cost, low-power wireless connections, - low cost "single chip” circuits, and low consumption for Bluetooth or RFID applications, - cellular telephone circuits for digital video broadcasting to DVB-H, DVB-S, T-DMB, S-DMB and for software defined radio (Software Defined Radio),
  • PLLs very high speed digital circuits
  • microprocessors for example of the parallel architecture type
  • the invention also relates to the software or the equivalent electronic circuit implementing the steps of the method according to the invention.

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Abstract

The invention relates to a method of modelling the sensitivity to noise of a cell (5, 7) of analogue and/or radio-frequency type. In this method, after having identified the class to which the cell belongs, a selection is made of the noise injection inputs (n1 k-nN k) of the cell as well as the output impacts (i1 k-ip k) influenced by the injection of noise at the input. The sensitivity model is then calculated, ensuring the relation (fk) between the noise signals injected on the noise injection inputs (n1 k-nN k) and the impacts (i1 k-ip k) selected, and this sensitivity model is associated with the description of the cell studied. The sensitivity model can be obtained by an analytic procedure, an empirical procedure or a combination of the two.

Description

Procédé pour modéliser la sensibilité d'une cellule de type analogique et/ou radio-fréquentielle et logiciel mettant en œuvre ce procédé Method for modeling the sensitivity of an analog and / or radio-frequency type cell and software implementing this method
L'invention concerne un procédé pour modéliser la sensibilité d'une cellule de type analogique et/ou radio-fréquentiel (RF) ainsi que le logiciel mettant en œuvre ce procédé. L'invention a notamment pour but de définir et modéliser la sensibilité des circuits analogiques et/ou RF au bruit externe injecté à proximité de ces circuits.The invention relates to a method for modeling the sensitivity of a cell of analog and / or radio-frequency (RF) type as well as the software implementing this method. The object of the invention is in particular to define and model the sensitivity of the analog and / or RF circuits to external noise injected near these circuits.
L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, dans le domaine de la CAO (Conception Assistée par Ordinateur), pour la conception de systèmes électroniques mixtes comportant des composants analogiques et numériques.The invention finds a particularly advantageous, but not exclusive, application in the field of CAD (Computer Aided Design), for the design of mixed electronic systems comprising analog and digital components.
A titre d'exemple non restrictif, les systèmes électroniques englobent les circuits intégrés sur un bloc de silicium unique, ou sur plusieurs substrats silicium dans un même boîtier, par exemple les SoCs (System on Chip ou systèmes sur puce) et les SiPs (System in Package ou système dans un boîtier). Par extension, l'invention pourrait également être appliquée pour la conception de systèmes électroniques comprenant des composants (intégrés ou non) sur un circuit imprimé.By way of non-restrictive example, the electronic systems include integrated circuits on a single silicon block, or on several silicon substrates in the same package, for example SoCs (System on Chips) and SiPs (System in Package or System in a Box). By extension, the invention could also be applied for the design of electronic systems comprising components (integrated or not) on a printed circuit.
La fabrication des systèmes électroniques est une opération très onéreuse, particulièrement lorsque le système comporte un ou plusieurs composants intégrés sur silicium. En conséquence, avant de démarrer une fabrication en grande série, il est indispensable de contrôler tous les paramètres de fabrication, et de conférer à certains des valeurs qui permettent de maximiser la probabilité que le circuit fabriqué fonctionne correctement.The manufacture of electronic systems is a very expensive operation, particularly when the system comprises one or more components integrated on silicon. Therefore, before starting a mass production, it is essential to control all the manufacturing parameters, and to give some of the values that maximize the probability that the manufactured circuit works properly.
A cet effet, il existe un ensemble de produits logiciels, appelés «outils d'automatisation de conception électronique», qui permettent d'aider à la conception de systèmes électroniques depuis la description des spécifications du système à réaliser jusqu'à la réalisation des masques photolithographiques utilisés lors de la fabrication du système.To this end, there is a set of software products, called "electronic design automation tools", which help to design electronic systems from the description of the system specifications to be realized until the masks are made. photolithography used in the manufacture of the system.
Un des éléments importants dans la conception d'un système électronique est de quantifier le bruit produit par les circuits, notamment dans un système mixte. A cet effet, on identifie des circuits générateurs de bruit (les agresseurs) et des circuits sensibles au bruit (les victimes).One of the important elements in the design of an electronic system is to quantify the noise produced by the circuits, especially in a system. mixed. For this purpose, noise generating circuits (the aggressors) and noise sensitive circuits (the victims) are identified.
Plus précisément, tous les circuits du système peuvent être considérés comme générateurs de bruit (agresseurs). Toutefois, il est préférable de choisir les circuits générateurs de bruit dans le groupe comportant : les circuits numériques, les cellules mémoires, des circuits analogiques et radio- fréquentiels (RF), tels que les VCO (Voltage Controlled Oscillator en anglais), les amplificateurs de puissance, et les circuits d'entrée-sortie.More precisely, all the circuits of the system can be considered as noise generators (aggressors). However, it is preferable to choose the noise generating circuits in the group comprising: digital circuits, memory cells, analog and radio-frequency (RF) circuits, such as VCOs (Voltage Controlled Oscillator), amplifiers power, and input-output circuits.
En particulier, les circuits numériques ont tendance à générer du bruit au moment des commutations de leurs signaux d'entrée. Bien entendu, un circuit comportant au moins un circuit générateur de bruit est lui-même considéré comme un circuit générateur de bruit.In particular, digital circuits tend to generate noise when switching their input signals. Of course, a circuit comprising at least one noise generating circuit is itself considered as a noise generating circuit.
Les circuits sensibles au bruit (victimes) sont choisis dans le groupe comportant : les circuits analogiques et RF, tels que les amplificateurs, les filtres, les oscillateurs, les mélangeurs, les échantillonneurs-bloqueurs, des circuits numériques de type mémoire, les boucles de phase, les circuits d'entrée-sortie, les diviseurs/multiplicateurs de fréquence, les contrôleurs automatiques de gain (AGC, Amplifier Gain Control) et les références de tension. Bien entendu, un circuit comportant au moins un circuit sensible au bruit est lui-même considéré comme sensible au bruit.The noise-sensitive circuits (victims) are selected from the group consisting of: analog and RF circuits, such as amplifiers, filters, oscillators, mixers, sample-and-hold devices, memory type digital circuits, phase, input-output circuits, frequency dividers / multipliers, automatic gain controllers (AGCs), and voltage references. Of course, a circuit comprising at least one noise-sensitive circuit is itself considered to be sensitive to noise.
Le bruit généré par les agresseurs, notamment le bruit de commutation généré par les cellules numériques ainsi que le bruit injecté par les cellules analogiques/RF/mixtes (VCO, PLL...), se répand vers les victimes en passant par le ou les substrats sur lesquels sont montés les circuits, les interconnexions métalliques et les boîtiers. Ce bruit a tendance à dégrader les performances des victimes. Cette dégradation peut être telle que les fonctions sensibles ne répondent plus aux spécifications initiales. Dans la suite du document, on entendra par bruit tout signal généré par un bloc agresseur qui a une influence non désirée sur les victimes.The noise generated by the attackers, in particular the switching noise generated by the digital cells as well as the noise injected by the analog / RF / mixed cells (VCO, PLL, etc.), spreads to the victims via the substrates on which are mounted circuits, metal interconnects and housings. This noise tends to degrade the performance of the victims. This degradation may be such that the sensitive functions no longer meet the initial specifications. In the rest of the document, noise will be understood to mean any signal generated by an aggressor block that has an unwanted influence on the victims.
II existe donc une nécessité de définir et modéliser la sensibilité des cellules sensibles (cellules analogiques et/ou RF) pour limiter au maximum le risque de perturbation des fonctionnalités de ces cellules due au bruit injecté par les cellules agressives.There is therefore a need to define and model the sensitivity of sensitive cells (analog and / or RF cells) to minimize the risk disruption of the functionalities of these cells due to the noise injected by the aggressive cells.
Dans la pratique, d'un côté des concepteurs élaborent des blocs de propriété industrielle, dits blocs IP, analogiques et/ou RF, dont seule la fonction qu'ils réalisent est parfaitement connue, l'architecture intérieure étant soigneusement gardée secrète afin de protéger le savoir-faire. D'un autre côté, les intégrateurs (qui font souvent partie d'une équipe ou d'une entreprise autre que celle du concepteur d'IP) combinent ces blocs d'IP entre eux pour réaliser des systèmes mixtes complets. L'intégrateur a besoin de la collaboration du concepteur du bloc d'IP pour modéliser la sensibilité du bloc d'IP dans le cadre du système complet qu'il envisage de mettre en œuvre.In practice, on the one hand, designers develop proprietary blocks, known as IP, analog and / or RF blocks, of which only the function they perform is perfectly known, the interior architecture being carefully kept secret in order to protect the know-how. On the other hand, integrators (who are often part of a team or company other than the IP designer) combine these IP blocks together to create complete mixed systems. The integrator needs the collaboration of the IP block designer to model the sensitivity of the IP block as part of the complete system it plans to implement.
Actuellement, la méthode de modélisation de sensibilité la plus utilisée est basée sur des simulations réelles (comportementales ou tout transistor) des fonctions concernées, lorsque ces fonctions sont intégrées sur le système complet ou seules après rétro-annotation du bruit simulé ou mesuré sur le circuit complet. Par rétro-annotation, on entend la méthode qui consiste dans un premier temps à simuler ou mesurer le bruit atteignant des points d'entrée critiques d'une cellule analogique ou RF sur un système complet et dans un deuxième temps à ajouter les sources de bruit équivalentes à la netlist de la cellule pour simuler son comportement en présence de ce bruit.Currently, the most used sensitivity modeling method is based on real simulations (behavioral or any transistor) of the functions concerned, when these functions are integrated on the complete system or only after retroannotation noise simulated or measured on the circuit full. By retro-annotation is meant the method which consists first of all in simulating or measuring the noise reaching critical input points of an analog or RF cell on a complete system and in a second time in adding the sources of noise equivalent to the netlist of the cell to simulate its behavior in the presence of this noise.
Toutefois, cette méthode se heurte à des limitations parfois bloquantes. En effet, ces simulations (des systèmes complets ou même des fonctions concernées après rétro-annotation), sont très coûteuses en temps de calcul et en mémoire et sont parfois impossibles à mettre en œuvre pour les systèmes très complexes.However, this method comes up against sometimes blocking limitations. Indeed, these simulations (complete systems or even relevant functions after retro-annotation), are very expensive in computing time and in memory and are sometimes impossible to implement for very complex systems.
En outre, bien souvent, le concepteur du bloc d'IP transmet à l'intégrateur uniquement les informations minimales nécessaires à l'intégration du circuit qu'il a développé, afin comme on l'a vu de protéger son savoir-faire. Or ces informations minimales ne sont en général pas suffisantes pour simuler le comportement du bloc vis-à-vis de l'intégrité des signaux analogiques et RF. En d'autres termes, bien souvent, les intégrateurs ne disposent pas des connaissances suffisantes de la fonctionnalité des blocs d'IP à intégrer pour effectuer les simulations nécessaires permettant de modéliser la sensibilité de ces blocs.In addition, very often, the designer of the IP block transmits to the integrator only the minimum information necessary for the integration of the circuit that he has developed, so as we have seen to protect his know-how. However, this minimum information is generally not sufficient to simulate the behavior of the block vis-à-vis the integrity of the analog and RF signals. In other words, the integrators often do not have sufficient knowledge of the functionality of the IP blocks to be integrated for perform the necessary simulations to model the sensitivity of these blocks.
Une autre méthode consiste à définir, pour chaque bloc d'IP analogique et/ou RF à intégrer, un gabarit de bruit maximum toléré par le bloc considéré. Pour un bruit présentant un niveau supérieur au seuil indiqué par le gabarit de la cellule, l'intégrateur considère que la cellule ne respecte pas les spécifications initiales. Tandis que pour un bruit présentant un niveau inférieur au seuil indiqué par le gabarit, l'intégrateur pourra considérer que la cellule respecte les spécifications initiales.Another method is to define, for each block of analog IP and / or RF to integrate, a maximum noise mask tolerated by the considered block. For a noise having a level higher than the threshold indicated by the template of the cell, the integrator considers that the cell does not meet the initial specifications. While for a noise having a level below the threshold indicated by the template, the integrator may consider that the cell meets the initial specifications.
Cette méthode se heurte au fait qu'elle n'offre à l'intégrateur du système qu'une marge de manœuvre réduite : la comparaison du niveau de bruit atteignant une cellule à un gabarit seuil ne donne qu'une réponse binaire du type « passe » ou « ne passe pas ».This method runs up against the fact that it offers the system integrator only a small margin of maneuver: the comparison of the noise level reaching a cell with a threshold mask gives only a binary response of the "pass" type. Or "do not pass".
Or dans la pratique, l'intégrateur d'un système donné dispose d'un cahier des charges à respecter, ce cahier des charges étant généralement fixé par les spécifications (ou la norme). Il dispose donc de la possibilité de distribuer le bruit tolérable par le circuit (le budget de bruit), sur l'ensemble des blocs pour aboutir à un bilan respectant les spécifications, ce que ne permet pas la méthode mettant en œuvre les gabarits.However, in practice, the integrator of a given system has a set of specifications to be respected, these specifications generally being set by the specifications (or the standard). It therefore has the ability to distribute the noise tolerable by the circuit (noise budget) on all blocks to achieve a balance respecting the specifications, which does not allow the method implementing the templates.
L'invention résout les problèmes précités en permettant notamment à l'intégrateur de système de disposer de la réponse exacte d'un bloc donné au bruit l'atteignant après intégration.The invention solves the aforementioned problems by allowing in particular the system integrator to have the exact response of a given block noise reaching after integration.
A cet effet, dans l'invention, on considère chaque cellule analogique ou RF comme une fonction de transfert entre : - une agression (bruit) injectée sur un ou plusieurs points d'entrée de la cellule, ces points d'entrée pouvant correspondre aux entrées de la cellule, telles que les entrées recevant les signaux à traiter ou les tensions d'alimentation ou à des points d'injection de bruit interne à la cellule, et - des impacts de sortie influencés par le bruit et traduisant la dégradation d'une ou plusieurs fonctionnalités du circuit. Ces impacts de sortie peuvent par exemple être l'amplitude ou la fréquence d'un signal de sortie de la cellule sensible, un écart entre le niveau de sortie idéal et le niveau de sortie réel, ou la figure de bruit observable sur une sortie donnée, ou encore une donnée plus abstraite telle qu'une information indiquant si la cellule fonctionne ou non.For this purpose, in the invention, each analog cell or RF is considered to be a transfer function between: an aggression (noise) injected on one or more points of entry of the cell, these entry points being able to correspond to the cell inputs, such as the inputs receiving the signals to be processed or the supply voltages or at points of injection of noise internal to the cell, and - noise-influenced output impacts and reflecting the degradation of one or more features of the circuit. These output impacts may for example be the amplitude or the frequency of an output signal of the sensitive cell, a difference between the ideal output level and the actual output level, or the figure of noise observable on a given output, or a more abstract data such as information indicating whether the cell is working or not.
Plus précisément, pour caractériser la sensibilité des cellules d'un système étudié, on identifie d'abord à quelle classe appartiennent les circuits sensibles. Les différentes classes de circuits analogiques et/ou RF utilisées dans les SoCs/SiPs correspondent aux différents types de circuits sensibles identifiés ci-dessus à savoir : les amplificateurs (de puissance ou à faible bruit), les mélangeurs de fréquence, les diviseurs/multiplicateurs de fréquence, les contrôleurs automatiques de gain (AGC, Amplifier Gain Control), les oscillateurs (à quartz, commandés en tension (VCO), à relaxation..) et les boucles à verrouillage de phase (PLL, Phase Locked Loop), les filtres, les systèmes mixtes agrégeant plusieurs de ces cellules.More precisely, to characterize the sensitivity of the cells of a studied system, it is firstly known to which class the sensitive circuits belong. The different classes of analog and / or RF circuits used in SoCs / SiPs correspond to the different types of sensitive circuits identified above, namely: amplifiers (power or low noise), frequency mixers, dividers / multipliers Frequency Controllers, AGC (Amplifier Gain Control), Oscillators (Quartz, Voltage Controlled (VCO), Relaxed ..) and Phase Locked Loops (PLLs); filters, mixed systems aggregating many of these cells.
Puis pour chaque circuit sensible identifié, on identifie les points d'injections de bruit sur le circuit, les sorties impactées par le bruit injecté, ainsi que le couplage du bruit entre les formes de bruit appliquées en entrée et les impacts sur les fonctionnalités de la cellule.Then, for each identified sensitive circuit, the noise injection points on the circuit, the outputs impacted by the injected noise, and the noise coupling between the input noise forms and the impacts on the functionalities of the circuit are identified. cell.
Les points d'injection de bruit dans la cellule sensible peuvent être déterminés de manière manuelle, grâce à l'expertise du concepteur analogique/RF, ou de manière automatique grâce à une série de simulations dédiées. On choisit au moins les entrées d'alimentation du circuit sensible analogique et/ou RF comme entrées d'injection de bruit.The noise injection points in the sensitive cell can be determined manually, thanks to the expertise of the analog / RF designer, or automatically through a series of dedicated simulations. At least the supply inputs of the analog and / or RF sensitive circuit are selected as noise injection inputs.
Ensuite, la modélisation de la sensibilité de la cellule peut être effectuée au moyen d'un modèle analytique, d'un modèle empirique, ou d'un modèle hybride permettant d'établir une relation entre les entrées et les sorties identifiées. Le choix du modèle dépend du niveau de connaissance qu'on a de l'interaction entre les entrées de bruit et les impacts sur les sorties observés.Then, cell sensitivity modeling can be performed using an analytical model, an empirical model, or a hybrid model to establish a relationship between the identified inputs and outputs. The choice of the model depends on the level of knowledge one has of the interaction between the noise inputs and the impacts on the outputs observed.
Ainsi, on choisit un modèle analytique lorsque les phénomènes de propagation du bruit dans la cellule sensible peuvent être isolés et décrits mathématiquement. A titre d'exemple, le bruit présent sur les lignes d'alimentation ou de signal de contrôle se reporte principalement sur la sortie d'un VCO (Voltage Controlled Oscillator) par conversion AM-FM, régie par les équations de modulation d'amplitude et de fréquence. Il s'agit alors d'identifier et de calculer les différents paramètres régissant le modèle choisi grâce à des simulations spécifiques.Thus, an analytical model is chosen when the propagation phenomena of the noise in the sensitive cell can be isolated and mathematically described. For example, the noise on the lines Power supply or control signal refers mainly to the output of a VCO (Voltage Controlled Oscillator) by AM-FM conversion, governed by the amplitude and frequency modulation equations. It is then a question of identifying and calculating the different parameters governing the model chosen thanks to specific simulations.
En revanche, on choisit un modèle empirique lorsque les phénomènes mis en jeu sont trop complexes pour être décrits analytiquement. Il s'agit alors d'effectuer un certain nombre de simulations pour caractériser la sensibilité du circuit et capturer la fonction de transfert par des techniques ad hoc.On the other hand, an empirical model is chosen when the phenomena involved are too complex to be described analytically. It is then necessary to carry out a certain number of simulations to characterize the sensitivity of the circuit and to capture the function of transfer by techniques ad hoc.
Dans un exemple de modèle empirique, on utilise des réseaux de neurones pour caractériser la fonction de transfert établissant la relation entre les entrées d'injection de bruit et les impacts de sortie.In an example of an empirical model, neural networks are used to characterize the transfer function establishing the relationship between the noise injection inputs and the output impacts.
Une application de cette modélisation empirique consiste à caractériser la dégradation de la sortie d'un amplificateur de puissance agressé par un bruit externe en termes d'interférence entre canaux, dont une mesure typique est l'ACPR (Adjacent Channel Power Ratio), par des simulations d'Enveloppe de Fourier en utilisant un simulateur RF du commerce.An application of this empirical modeling consists in characterizing the degradation of the output of a power amplifier attacked by an external noise in terms of inter-channel interference, a typical measurement of which is the Adjacent Channel Power Ratio (ACPR), by Fourier Envelope simulations using a commercial RF simulator.
Dans certains cas, on peut également choisir un modèle hybride qui est une combinaison d'un modèle analytique et d'un modèle empirique, la partie analytique modélisant les comportements de la cellule pouvant être exprimés sous forme d'équations mathématiques, le modèle empirique modélisant les comportements de la cellule trop complexes pour être modélisés sous forme d'équations mathématiques.In some cases, one can also choose a hybrid model that is a combination of an analytic model and an empirical model, the analytic part modeling the behaviors of the cell that can be expressed as mathematical equations, the empirical model modeling cell behaviors too complex to model as mathematical equations.
Un système complexe peut en outre être traité comme une seule cellule si une méthodologie de simulation de sa sensibilité au bruit peut être appliquée directement et dans des temps raisonnables. Dans le cas contraire, le système peut être décomposé en blocs fonctionnels et chaque bloc est caractérisé individuellement, les perturbations en bruit en sortie d'un bloc venant s'ajouter aux entrées du bloc suivant. Dans ce cas, le modèle du système résulte de la composition des modèles des différents blocs. Dans le cas de systèmes bouclés, les modèles des blocs constituant chaque boucle doivent être appliqués suivant un processus itératif jusqu'à convergence. Plus précisément, à une itération donnée de ce processus, on considère le système en boucle ouverte, ce qui permet de calculer la perturbation en bruit en sortie de boucle par composition. Cette perturbation est reportée sur l'entrée de la boucle à l'itération suivante. Dans le cas d'un système stable, un nombre fini d'itérations permet d'obtenir des formes de bruit n'évoluant plus significativement d'une itération à l'autre : on dit alors que le processus a convergé.In addition, a complex system can be treated as a single cell if a methodology for simulating its noise sensitivity can be applied directly and in reasonable time. In the opposite case, the system can be broken down into functional blocks and each block is characterized individually, the noise disturbances at the output of a block being added to the inputs of the next block. In this case, the model of the system results from the composition of the models of the different blocks. In the case of looped systems, the models of the blocks constituting each loop must be applied according to an iterative process until convergence. More precisely, at a given iteration of this process, the open-loop system is considered, which makes it possible to calculate the noise disturbance at the loop output by composition. This disturbance is reported on the input of the loop at the next iteration. In the case of a stable system, a finite number of iterations makes it possible to obtain forms of noise no longer evolving significantly from one iteration to another: it is said that the process has converged.
De même, un système composé d'un ensemble de cellules peut être traité de la même manière, c'est-à-dire en combinant les modèles des différentes cellules le composant.Similarly, a system composed of a set of cells can be treated in the same way, that is to say by combining the models of the different cells that make it up.
Grâce à l'invention, les concepteurs de blocs d'IP analogiques et RF ont la possibilité de modéliser la sensibilité du bloc concerné. Cette modélisation leur permet dans un premier temps de maximiser l'immunité du bloc au bruit externe, et ensuite d'attacher au bloc, une modélisation de l'impact du bruit, qui sera utilisée lors de l'implémentation physique.Thanks to the invention, the designers of analog and RF IP blocks have the possibility of modeling the sensitivity of the block concerned. This modeling allows them first of all to maximize the block's immunity to external noise, and then to attach to the block, a noise impact modeling, which will be used during the physical implementation.
En effet, l'intégrateur pourra déterminer de manière directe et rapide la dégradation des fonctions critiques de ce circuit au sein d'un système complet en appliquant les formes de bruit (mesurées ou simulées par des outils dédiés) aux entrées des modèles de sensibilité obtenus par le concepteur à l'étape de modélisation.Indeed, the integrator will be able to directly and rapidly determine the degradation of the critical functions of this circuit within a complete system by applying the noise forms (measured or simulated by dedicated tools) to the inputs of the sensitivity models obtained. by the designer at the modeling stage.
L'intégrateur du système pourra ainsi prédire la dégradation des fonctionnalités du bloc, c'est-à-dire l'impact du bruit après l'intégration, sans avoir à effectuer des simulations tout transistor complexes et coûteuses, et sans avoir besoin d'accéder à des données détaillées du bloc (par exemple la netlist) gardées souvent secrètes par le concepteur d'IP, ce qui facilite le dialogue entre le concepteur et l'intégrateur des blocs d'IP.The system integrator will thus be able to predict the degradation of the functionalities of the block, that is to say the impact of the noise after the integration, without having to carry out any complex and expensive transistor simulations, and without the need of access detailed data from the block (for example the netlist) kept secret by the IP designer, which facilitates the dialogue between the designer and the integrator of IP blocks.
En outre, l'invention permet à l'intégrateur de mieux gérer le bruit maximum sur le circuit, en lui offrant une marge de manœuvre plus large pour répartir le bruit dans le circuit et aboutir à un bilan positif de distribution de bruit. L'invention concerne donc un procédé de modélisation de la sensibilité au bruit d'un circuit électronique sensible de type analogique et/ou radio- fréquentiel, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :In addition, the invention allows the integrator to better manage the maximum noise on the circuit, offering him a wider margin of maneuver to distribute the noise in the circuit and result in a positive balance of noise distribution. The invention therefore relates to a method for modeling the sensitivity to noise of a sensitive electronic circuit of analog and / or radio frequency type, characterized in that it comprises the following steps:
- on identifie à quelle classe appartient le circuit sensible, - on sélectionne, parmi les bornes de la cellule, les entrées d'injection de bruit de la cellule sur lesquelles des signaux de bruit extérieurs à la cellule sont susceptibles d'être injectés,the class of the sensitive circuit is identified, the noise injection inputs of the cell on which noise signals outside the cell are likely to be injected are selected from among the terminals of the cell;
- on sélectionne des impacts de sortie, tels que l'amplitude ou la fréquence du signal d'une des sorties de la cellule ou la valeur d'une bande de bruit dans un signal de sortie de la cellule, influencés par l'injection des signaux de bruit en entrée, etselection of output impacts, such as the amplitude or the frequency of the signal of one of the outputs of the cell or the value of a noise band in an output signal of the cell, influenced by the injection of the input noise signals, and
- on calcule le modèle de sensibilité assurant la relation entre des signaux de bruit injectés sur les entrées d'injection de bruit et les impacts de sortie sélectionnés, et - on associe ce modèle de sensibilité à la description de la cellule sensible, cette description de la cellule sensible comportant les données de la cellule sensible nécessaires à son intégration mais pas tout le détail de sa structure.the sensitivity model providing the relationship between the noise signals injected on the noise injection inputs and the selected output impacts is calculated, and this sensitivity model is associated with the description of the sensitive cell, this description of the sensitive cell containing the data of the sensitive cell necessary for its integration but not all the details of its structure.
L'homme du métier comprend que les données nécessaires à l'intégration comportent le layout du circuit sensible correspondant à la description des masques du circuit montrant les différents éléments composant le circuit et à leurs interconnexions entre eux.Those skilled in the art understand that the data necessary for the integration include the layout of the sensitive circuit corresponding to the description of the masks of the circuit showing the various elements making up the circuit and their interconnections with each other.
Dans une mise en œuvre, la classe du circuit sensible est choisie dans le groupe comportant : les amplificateurs de puissance ou à faible bruit, les mélangeurs de fréquence, les diviseurs/multiplicateurs de fréquence, les contrôleurs automatiques de gain, les oscillateurs et les boucles à verrouillage de phase, les filtres, les systèmes comprenant plusieurs des cellules précitées.In one implementation, the class of the sensitive circuit is selected from the group consisting of: power or low noise amplifiers, frequency mixers, frequency dividers / multipliers, automatic gain controllers, oscillators and loops phase-locked filters, the systems comprising several of the aforementioned cells.
Dans une mise en œuvre, pour calculer le modèle de sensibilité, on détermine la fonction analytique correspondant au groupe du circuit sensible déterminé, cette fonction présentant des coefficients qui dépendent du modèle du circuit utilisé et on effectue des simulations afin d'extraire les valeurs de ces coefficients. Dans une mise en œuvre, la cellule étant un VCO, les points d'injection de bruit sont choisis parmi la borne de masse, d'alimentation et la borne du signal de contrôle, et les impacts sont choisis parmi la bande de bruit à proximité de la fréquence d'oscillation du signal de sortie, l'amplitude du signal de sortie à la fréquence d'oscillation du signal de sortie, ou la fréquence d'oscillation du signal de sortie.In one implementation, in order to calculate the sensitivity model, the analytical function corresponding to the group of the determined sensitive circuit is determined, this function having coefficients that depend on the model of the circuit used and simulations are performed in order to extract the values of these coefficients. In one implementation, the cell being a VCO, the noise injection points are chosen from the ground terminal, the power supply terminal and the control signal terminal, and the impacts are selected from the nearby noise band. the oscillation frequency of the output signal, the amplitude of the output signal at the oscillation frequency of the output signal, or the oscillation frequency of the output signal.
Dans une mise en œuvre, pour un signal de bruit injecté sur la borne de masse, la valeur de l'amplitude des raies parasites présentant une fréquence égale à la fréquence d'oscillation augmentée ou diminuée d'un multiple de la fréquence de bruit dépend deIn one implementation, for a noise signal injected on the ground terminal, the amplitude value of the parasitic lines having a frequency equal to the oscillation frequency increased or decreased by a multiple of the noise frequency depends of
- l'amplitude du signal de sortie à la fréquence d'oscillation pondérée parthe amplitude of the output signal at the oscillation frequency weighted by
- le rapport entre- the relationship between
- le produit de l'amplitude du signal de bruit injecté et de la sensibilité de la fréquence d'oscillation du VCO au bruit sur la masse, et - la fréquence du signal de bruit,the product of the amplitude of the injected noise signal and the sensitivity of the oscillation frequency of the VCO to the noise on the mass, and the frequency of the noise signal,
- ce rapport étant élevé à la puissance du multiple de la fréquence considérée.this ratio being raised to the power of the multiple of the frequency considered.
Dans une mise en œuvre, l'amplitude du signal de sortie à la fréquence d'oscillation du VCO dépend de l'amplitude du signal de sortie à la fréquence d'oscillation lorsqu'aucun bruit n'est injecté multipliée par le produit, pour tous les signaux de bruit, de la fonction de Bessel Jo du premier genre et d'ordre 0 appliquée à l'index de modulation de chacun de ces signaux.In one implementation, the amplitude of the output signal at the oscillation frequency of the VCO depends on the amplitude of the output signal at the oscillation frequency when no noise is injected multiplied by the product, for all the noise signals, of the Bessel Jo function of the first kind and of order 0 applied to the modulation index of each of these signals.
Dans une mise en œuvre, la sensibilité de la fréquence du VCO au bruit sur la masse est définie par le rapport entre - la variation de la fréquence du VCO, etIn one implementation, the sensitivity of the VCO frequency to the noise on the mass is defined by the ratio between - the variation of the frequency of the VCO, and
- la variation de la tension de masse,- the variation of the ground voltage,
- pour une fréquence de contrôle du VCO donnée.- for a given VCO control frequency.
Dans une mise en œuvre, la fréquence d'oscillation réelle du signal de sortie du VCO dépend de la somme entre - la fréquence d'oscillation idéale du VCO etIn one implementation, the actual oscillation frequency of the VCO output signal depends on the sum of - the ideal oscillation frequency of the VCO and
- la somme, pour toutes les entrées de bruit considérées, des produits de la composante de tension continue du signal de bruit injecté sur une entrée donnée et de la sensibilité de la fréquence du VCO à cette entrée. Dans une mise en œuvre, la sensibilité de la fréquence du VCO au bruit à une entrée donnée est définie par le rapport entrethe sum, for all the noise inputs considered, of the products of the DC voltage component of the noise signal injected on a given input and of the sensitivity of the VCO frequency to this input. In one implementation, the sensitivity of the VCO frequency to the noise at a given input is defined by the ratio between
- la variation de la fréquence d'oscillation, et- the variation of the oscillation frequency, and
- la variation de la tension appliquée à l'entrée considérée, - pour une tension de contrôle du VCO donnée.- the variation of the voltage applied to the input considered, - for a control voltage of the given VCO.
Dans une mise en oeuvre, pour extraire les paramètres de l'amplitude à la fréquence d'oscillation lorsque aucun bruit n'est injecté, la fréquence d'oscillation lorsque aucun bruit n'est injecté, la sensibilité de la fréquence d'oscillation au bruit sur une des entrées d'injection de bruit, et la sensibilité de l'amplitude du VCO au bruit sur une des entrées d'injection de bruit, dans un environnement de test,In one implementation, to extract the parameters of the amplitude at the oscillation frequency when no noise is injected, the oscillation frequency when no noise is injected, the sensitivity of the oscillation frequency to noise on one of the noise injection inputs, and the sensitivity of the amplitude of the VCO to the noise on one of the noise injection inputs, in a test environment,
- on effectue une série de simulations sans addition de source de bruit externe sur le VCO modélisé, cette série de simulations permettant d'extraire l'amplitude et la fréquence d'oscillation du VCO pour chacune des valeurs de tension de contrôle,a series of simulations is performed without the addition of an external noise source on the modeled VCO, this series of simulations making it possible to extract the amplitude and the oscillation frequency of the VCO for each of the control voltage values,
- on effectue une simulation paramétrique pour chacune des valeurs de la tension de contrôle, les sources de bruit étant alors considérées comme des sources de tension continue dont on fait varier l'amplitude sur une gamme de valeurs de l'ordre du micron au millivolt, - on extrait l'amplitude et la fréquence d'oscillation en sortie du VCO pour chaque amplitude des sources de bruit, eta parametric simulation is performed for each of the values of the control voltage, the noise sources then being considered as DC voltage sources whose amplitude is varied over a range of values from one micron to one millivolt, the amplitude and oscillation frequency at the output of the VCO are extracted for each amplitude of the noise sources, and
- par un calcul classique de pente, on obtient les valeurs des paramètres de la sensibilité de l'amplitude et de la fréquence d'oscillation du VCO pour chaque entrée de bruit et pour chaque valeur de tension de contrôle. Selon une mise en œuvre, l'environnement de test est défini notamment par la gamme de valeurs de la tension de contrôle du VCO et sa granularité.by a conventional slope calculation, the values of the sensitivity parameters of the amplitude and the oscillation frequency of the VCO are obtained for each noise input and for each control voltage value. According to one implementation, the test environment is defined in particular by the range of values of the control voltage of the VCO and its granularity.
Selon une mise en œuvre, pour effectuer les simulations on définit les paramètres des simulations RF, le nombre d'harmoniques à considérer durant l'analyse dépendant de la non-linéarité du VCO, la précision désirée, et des options de performance.According to one implementation, to carry out the simulations, the parameters of the RF simulations, the number of harmonics to be considered during the analysis depending on the non-linearity of the VCO, the desired accuracy, and performance options are defined.
Selon une mise en œuvre, les données relatives au modèle de sensibilité sont encryptées dans un fichier binaire dans un format spécifique, permettant son échange entre équipes de développement. Selon une mise en œuvre, pour déterminer le modèle de sensibilité,According to one implementation, the data relating to the sensitivity model is encrypted in a binary file in a specific format, allowing its exchange between development teams. According to one implementation, to determine the sensitivity model,
- on configure un réseau de neurones en définissant un nombre de couches de neurones,a neural network is configured by defining a number of layers of neurons,
- on effectue des simulations de type analogiques, RF ou mixtes sur le circuit de manière à obtenir un ensemble de couples de mesures entrée/impact,analog, RF or mixed type simulations are performed on the circuit so as to obtain a set of input / impact measurement pairs,
- on entraîne le réseau de neurones avec les données collectées par simulation, etthe neural network is trained with the data collected by simulation, and
- on arrête le processus d'entraînement lorsque le modèle obtenu reproduit les expériences de la simulation avec la précision souhaitée.- the training process is stopped when the model obtained reproduces the simulation experiments with the desired precision.
Selon une mise en œuvre, la méthode d'entraînement du réseau neuronal est la méthode de Levenberg-Marquardt.According to one implementation, the training method of the neural network is the Levenberg-Marquardt method.
Selon une mise en œuvre, on découpe le circuit en plusieurs blocs fonctionnels, chaque bloc étant modélisé individuellement, le modèle du circuit résultant de la combinaison des modèles des différents blocs.According to one implementation, the circuit is divided into several functional blocks, each block being individually modeled, the circuit model resulting from the combination of the models of the different blocks.
Selon une mise en œuvre, dans un système d'analyse macroscopique, l'utilisation du procédé selon l'invention est combinée avec celle de procédés de modélisation d'injection et de propagation de bruit afin de déterminer l'influence du bruit sur l'ensemble du circuit électronique.According to one implementation, in a macroscopic analysis system, the use of the method according to the invention is combined with that of noise injection and propagation modeling methods in order to determine the influence of the noise on the entire electronic circuit.
L'invention concerne en outre un logiciel ou un circuit électronique équivalent mettant en œuvre le procédé selon l'invention.The invention further relates to a software or an equivalent electronic circuit implementing the method according to the invention.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. Elles montrent :The invention will be better understood on reading the description which follows and on examining the figures which accompany it. These figures are given for illustrative but not limiting of the invention. They show :
Figure 1 : un diagramme des étapes du procédé de modélisation selon l'invention dans le cas d'une approche analytique et dans le cas d'une approche empirique ;Figure 1: a diagram of the steps of the modeling method according to the invention in the case of an analytical approach and in the case of an empirical approach;
Figure 2 : une représentation schématique d'un circuit électronique sensible simple modélisé par le procédé selon l'invention ;Figure 2 is a schematic representation of a single sensitive electronic circuit modeled by the method according to the invention;
Figure 3 : une représentation schématique d'un système complexe sensible décomposé en blocs fonctionnels modélisé par le procédé selon l'invention ; Figures 4-5 : des représentations schématiques respectivement détaillée et globale d'un VCO classique (Voltage Controlled Oscillator) et des différents points d'injection de bruit ;3: a schematic representation of a complex complex system decomposed into functional blocks modeled by the method according to the invention; Figures 4-5: respectively detailed and overall schematic representations of a conventional VCO (Voltage Controlled Oscillator) and different noise injection points;
Figure 6 : une représentation graphique du spectre d'un signal appliqué en entrée d'un VCO et du spectre d'un signal observable à sa sortie mettant en évidence les phénomènes de couplage de bruit identifiés pour la mise en œuvre de l'invention ;FIG. 6: a graphical representation of the spectrum of a signal applied at the input of a VCO and the spectrum of an observable signal at its output highlighting the noise coupling phenomena identified for the implementation of the invention;
Figure 7 : une représentation schématique de la mise en oeuvre d'un algorithme de calcul selon l'invention permettant d'obtenir les amplitudes des raies observables en sortie du VCO pour un signal de bruit en entrée présentant quatre raies ;FIG. 7: a schematic representation of the implementation of a calculation algorithm according to the invention making it possible to obtain the amplitudes of the lines observable at the output of the VCO for an input noise signal having four lines;
Figure 8 : un tableau indiquant en ligne l'ordre et en colonne l'index du terme des séries de Bessel utilisées dans les modèles de sensibilité du VCO selon l'invention ;FIG. 8: a table indicating in line the order and in column the index of the Bessel series term used in the sensitivity models of the VCO according to the invention;
Figure 9 : une représentation graphique du spectre du signal de sortie du modèle de sensibilité du VCO selon l'invention pour différents cas d'injection de bruit (meilleur cas, pire cas, cas typique) ;9: a graphical representation of the spectrum of the output signal of the sensitivity model of the VCO according to the invention for different cases of noise injection (best case, worst case, typical case);
Figure 10 : une représentation schématique d'un amplificateur de puissance dont la sensibilité est modélisée suivant l'approche empirique selon l'invention ;Figure 10: a schematic representation of a power amplifier whose sensitivity is modeled according to the empirical approach according to the invention;
Figure 11 : une représentation schématique du spectre d'un signal observable à la masse et du spectre du signal de sortie de l'amplification mettant en évidence les phénomènes de couplage de bruit identifiés pour la mise en œuvre de l'invention ;11: a schematic representation of the spectrum of a signal observable at the ground and the spectrum of the output signal of the amplification highlighting the noise coupling phenomena identified for the implementation of the invention;
Figure 12 : une représentation schématique des différents canaux de fréquence associés à l'amplificateur de puissance et considérés pour la mise en œuvre de l'invention ;Figure 12: a schematic representation of the different frequency channels associated with the power amplifier and considered for the implementation of the invention;
Figure 13 : une représentation schématique d'un exemple d'intégration de l'outil de modélisation de sensibilité selon l'invention dans un système global de modélisation du bruit d'un système électronique. Les éléments identiques conservent la même référence d'une figure à l'autre.Figure 13: a schematic representation of an example of integration of the sensitivity modeling tool according to the invention in a global noise modeling system of an electronic system. Identical elements retain the same reference from one figure to another.
La figure 1 montre un diagramme du procédé de modélisation de sensibilité selon l'invention dans le cas d'une approche analytique et dans le cas d'une approche empirique.FIG. 1 shows a diagram of the sensitivity modeling method according to the invention in the case of an analytical approach and in the case of an empirical approach.
Dans une première étape 1.1 commune à l'approche analytique et empirique, les entrées d'injection de bruit de la cellule ainsi que les impacts de sortie traduisant la dégradation de la fonctionnalité de la cellule, tels que l'amplitude ou la fréquence d'un signal de sortie, un écart entre le niveau de sortie idéal et le niveau de sortie réel, ou la figure de bruit observable sur une sortie donnée, sont identifiés.In a first step 1.1 common to the analytical and empirical approach, the noise injection inputs of the cell as well as the output impacts reflecting the degradation of the functionality of the cell, such as the amplitude or frequency of the cell. an output signal, a gap between the ideal output level and the actual output level, or the observable noise pattern on a given output, are identified.
Dans une deuxième étape 1.2 de l'approche analytique, on détermine les expressions analytiques permettant de dériver les fonctions de transfert entre un signal de bruit appliqué sur les entrées et les impacts sur les sorties observés.In a second step 1.2 of the analytical approach, analytical expressions are determined that make it possible to derive the transfer functions between a noise signal applied to the inputs and the impacts on the outputs observed.
Dans une troisième étape 1.3, on identifie les paramètres des équations analytiques à déterminer pour adapter les équations analytiques à la cellule étudiée.In a third step 1.3, the parameters of the analytical equations to be determined for adapting the analytical equations to the studied cell are identified.
Dans une quatrième étape 1.4, on détermine les valeurs des paramètres par simulation à partir d'une description du circuit, et de paramètres d'analyse.In a fourth step 1.4, the values of the parameters are determined by simulation from a description of the circuit, and analysis parameters.
Dans une cinquième 1.5 étape, le modèle de sensibilité est généré à partir des interfaces du modèle (entrées/sorties sélectionnées), des équations analytiques et des paramètres extraits.In a fifth step, the sensitivity model is generated from the model interfaces (selected inputs / outputs), analytical equations, and extracted parameters.
Dans l'approche empirique, après l'identification des entrées et des impacts de sortie, un grand nombre de simulations (exemples à titre non limitatif : analogiques, RF, mixtes, SPICE, VERILOG, VHDL) est effectué sur le circuit dans une étape 2.3, de manière à obtenir un ensemble de couples de mesures entrées/sorties (impacts de sortie) décrivant le système. A cet effet, un grand nombre de valeurs de signaux de bruit est appliqué en entrée de la cellule sensible et on mesure par simulation l'impact de sortie correspondant à chacune des valeurs d'entrée. En pratique, la détermination du nombre adéquat d'entrées et de sorties dépend de la classe et de la complexité de la cellule étudiée et fait appel à l'expertise du concepteur analogique/RF qui dispose des connaissances et des outils de simulation dédiés à ce type d'investigation.In the empirical approach, after the identification of the inputs and the output impacts, a large number of simulations (nonlimiting examples: analog, RF, mixed, SPICE, VERILOG, VHDL) is performed on the circuit in a step 2.3, so as to obtain a set of input / output measurement pairs (output impacts) describing the system. For this purpose, a large number of noise signal values are applied to the input of the sensitive cell and the output impact corresponding to each of the input values is measured by simulation. In practice, the determination of the adequate number of inputs and outputs depends on the class and complexity of the cell studied and uses the expertise of the analog / RF designer who has the knowledge and simulation tools dedicated to this. type of investigation.
Un réseau de neurones est configuré dans une étape 2.2, notamment en définissant les propriétés du réseau nécessaires à la modélisation, en particulier le nombres de couches, le nombres de neurones par couche, la méthode d'apprentissage, son paramétrage, les critères liés à la convergence de la méthode et la précision souhaitée du modèle.A neural network is configured in a step 2.2, in particular by defining the properties of the network necessary for the modeling, in particular the number of layers, the number of neurons per layer, the learning method, its parameterization, the criteria related to the convergence of the method and the desired precision of the model.
Dans une étape 2.4 d'apprentissage, le réseau de neurones est entraîné avec les données collectées lors de l'étape de simulation en s'appuyant sur des principes de rétro-propagation. La méthode dite de rétro-propagation consiste à calculer le gradient de l'erreur de chaque neurone du réseau, de la dernière couche vers la première. Cette technique permet de corriger les erreurs (en modifiant les poids synaptiques du réseau) selon l'importance des éléments qui ont justement participé à la réalisation de ces erreurs. On arrête le processus d'entraînement lorsque le modèle obtenu reproduit les expériences (les couples d'entées/sorties obtenus par simulation) avec la précision souhaitée.In a learning step 2.4, the neural network is driven with the data collected during the simulation step based on principles of retro-propagation. The so-called back propagation method consists in calculating the gradient of the error of each neuron of the network, from the last layer to the first one. This technique makes it possible to correct the errors (by modifying the synaptic weights of the network) according to the importance of the elements which have precisely contributed to the realization of these errors. The training process is stopped when the model obtained reproduces the experiments (the pairs of inputs / outputs obtained by simulation) with the desired precision.
La figure 2 montre un système simple dont la sensibilité a été modélisée par un bloc 5 présentant N points d'injection de bruit et P impacts de sortie traduisant la dégradation ont été identifiés, N et P pouvant être égaux ou différents. Les P impacts peuvent prendre chacun la forme d'une grandeur physique, telle que l'amplitude ou la fréquence d'un signal de sortie, ou un message indiquant si la sortie sensible fonctionne correctement ou non. La fonction f modélisant la sensibilité de la cellule assure la relation entre les entrées ni ...nN et les impacts de sortie ii ...iP.FIG. 2 shows a simple system whose sensitivity has been modeled by a block 5 having N noise injection points and P output showing the degradation have been identified, N and P being equal or different. The P impacts can each take the form of a physical quantity, such as the amplitude or frequency of an output signal, or a message indicating whether the sensitive output is working properly or not. The function f modeling the sensitivity of the cell ensures the relation between the inputs ni ... n N and the output impacts ii ... i P.
Lorsqu'un système électronique présentant une fonction complexe peut être décomposé en blocs fonctionnels présentant des fonctions simples, on considère que son modèle de sensibilité résulte de la composition des modèles de sensibilité des blocs simples. La figure 3 montre ainsi un modèle de sensibilité d'un système complexe 7 résultant de la composition des modèles de deux blocs fonctionnels k et k+1 (7.1 et 7.2).When an electronic system with a complex function can be broken down into functional blocks with simple functions, its sensitivity model is considered to result from the composition of the sensitivity models of the single blocks. FIG. 3 thus shows a sensitivity model of a complex system 7 resulting from the composition of the models of two functional blocks k and k + 1 (7.1 and 7.2).
Les signaux de bruit sont appliqués sur les entrées d'injection de bruit n/... nN k du modèle de sensibilité de la cellule k dont la fonction f permet d'obtenir les impacts de sortie hk...ipk correspondant à ces entrées, les impacts de sortie étant des valeurs du bruit observable en sortie de la cellule k.The noise signals are applied to the noise injection inputs n / ... n N k of the sensitivity model of the cell k whose function f makes it possible to obtain the corresponding output impacts h k ... ip k at these inputs, the output impacts being values of the observable noise at the output of the cell k.
Les perturbations de bruit hk...ipk observables en sortie du bloc k sont alors appliquées en entrées du bloc k+1 , le bruit généré par la cellule k influençant les impacts de sortie sensibles iik+1...iL k+1 de la cellules k+1. En effet, le bruit de la cellule k se propage vers la cellule k+1 en passant par le substrat, les interconnexions et le boîtier du système 7.The noise disturbances h k ... ip k observable at the output of the block k are then applied as inputs to the block k + 1, the noise generated by the cell k influencing the sensitive output impacts ii k + 1 ... i L k + 1 of the k + 1 cells. In fact, the noise of the cell k propagates towards the cell k + 1 via the substrate, the interconnections and the housing of the system 7.
Par ailleurs, des signaux de bruit sont injectés sur les M entrées d'injection de la cellule k+1. La fonction f1^1 de la cellule calcule les valeurs des impacts de sortie sensibles de la cellule k+1 en fonction des valeurs des signaux de bruit appliqués sur les entrées.Moreover, noise signals are injected on the M injection inputs of the cell k + 1. The function f 1 ^ 1 of the cell calculates the values of the sensitive output impacts of the cell k + 1 as a function of the values of the noise signals applied to the inputs.
Dans un exemple, la chaîne de traitement d'un signal radio-fréquence après réception par l'antenne d'un téléphone est formée d'un LNA suivi d'un mélangeur, lui-même commandé par un VCO. En conséquence, le modèle de sensibilité de cette chaîne de traitement résulte de la combinaison des modèles de sensibilité de ces trois éléments.In one example, the processing chain of a radio frequency signal after reception by the antenna of a telephone is formed of a LNA followed by a mixer, itself controlled by a VCO. As a result, the sensitivity model of this processing chain results from the combination of the sensitivity models of these three elements.
On détaille ci-après un exemple de modélisation de la sensibilité d'un VCO de type « LC-tank » au bruit externe par une approche analytique.Below is an example of modeling the sensitivity of an LC-tank type VCO to external noise by an analytical approach.
Les figures 4 et 5 montrent respectivement un schéma détaillé et global d'un VCO 12 qui délivre un signal de sortie positif VOUT+ ou négatif VOUT- présentant une fréquence d'oscillation LO (Local Oscillator). Cette fréquence LO dépend de la valeur continue de la tension de contrôle VCONTROL.FIGS. 4 and 5 respectively show a detailed and global diagram of a VCO 12 which delivers a positive output signal VOUT + or negative VOUT- having an oscillation frequency LO (Local Oscillator). This LO frequency depends on the continuous value of the VCONTROL control voltage.
De manière classique, ce VCO 12 est formé par des transistors M1-M4, des diodes D1 , D2 et des inductances L1 et L2 reliées entre eux et aux points d'alimentation VDD et VSS (masse) comme représenté à la figure 4. Les signaux de bruit externes B1-B3 sont principalement injectés par la borne de tension de contrôle VCONTROL, la borne de masse VSS et la borne d'alimentation VDD.In a conventional manner, this VCO 12 is formed by transistors M1-M4, diodes D1, D2 and inductors L1 and L2 connected to each other and to the supply points VDD and VSS (ground) as shown in FIG. The external noise signals B1-B3 are mainly injected by the VCONTROL control voltage terminal, the VSS ground terminal and the VDD power terminal.
La figure 6 montre le spectre 9 d'un signal de sortie du VCO obtenu lorsqu'un signal d'entrée présentant le spectre fréquentiel 10 est appliqué sur une des entrées de bruit du VCO. Cette figure montre les mécanismes dominants de couplage de bruit et la dégradation des performances du VCO 12 due à l'impact des signaux de bruit B1-B3 appliqués sur les entrées d'injection de bruit.Figure 6 shows the spectrum 9 of a VCO output signal obtained when an input signal having the frequency spectrum 10 is applied to one of the VCO noise inputs. This figure shows the dominant noise coupling mechanisms and performance degradation of the VCO 12 due to the impact of the B1-B3 noise signals applied to the noise injection inputs.
En particulier, un signal bruyant appliqué sur la borne de masse peut impacter le spectre 9 de sortie du VCO de deux manières différentes. Ainsi, par un phénomène de conversion AM-FM, le bruit présent en bande de base 11 autour de la composante continue du signal d'entrée injecté par les lignes de masse se retrouve dans la bande RF 13 de la sortie du VCO, aux alentours de la fréquence LO, comme montré par la flèche A sur la figure 6.In particular, a noisy signal applied to the ground terminal can impact the output spectrum of the VCO in two different ways. Thus, by an AM-FM conversion phenomenon, the noise present in the baseband 11 around the DC component of the input signal injected by the ground lines is found in the RF band 13 of the output of the VCO, in the surroundings of the LO frequency, as shown by the arrow A in Figure 6.
Tandis que par un phénomène de modulation (moins important que le phénomène de conversion AM-FM), le bruit présent dans la bande de fréquence 15 de largeur BW située autour de la fréquence LO se retrouve dans la bande RF 13, comme montré par la flèche A' sur la figure 6.While by a modulation phenomenon (less important than the AM-FM conversion phenomenon), the noise present in the frequency band 15 of width BW situated around the frequency LO is found in the RF band 13, as shown by FIG. arrow A 'in FIG.
Le signal de sortie du VCO est impacté de plusieurs manières par le bruit injecté sur les entrées: la fréquence d'oscillation LO du signal de sortie étant erronée, l'amplitude du signal de sortie à la fréquence LO étant erronée, et des raies de bruit apparaissant à proximité de la fréquence LO, à cause du bruit injecté sur les entrées d'injection de bruit.The output signal of the VCO is impacted in several ways by the noise injected on the inputs: the oscillation frequency LO of the output signal being erroneous, the amplitude of the output signal at the frequency LO being erroneous, and noise occurring near the LO frequency due to noise injected into the noise injection inputs.
Pour obtenir le modèle de sensibilité du VCO, on détermine de manière analytique les fonctions de transfert entre un signal de bruit injecté sur une des entrées d'injection de bruit et la fréquence et/ou amplitude du signal de sortie du VCO, et/ou l'amplitude des raies parasites qui apparaissent autour de la fréquence LO.To obtain the sensitivity model of the VCO, the transfer functions between a noise signal injected on one of the noise injection inputs and the frequency and / or amplitude of the VCO output signal are determined analytically, and / or the amplitude of parasitic lines that appear around the LO frequency.
Dans la suite de l'exemple, le modèle de sensibilité est basé sur le mécanisme d'injection dominant (conversion AM-FM) par les lignes de métaux non idéaux de la masse. Une source de bruit B2 est ajoutée sur le port VSS pour modéliser cette non-idéalité de la masse. Toutefois, la plupart des observations qui suivent s'appliquent en ce qui concerne les autres entrées d'injection de bruit.In the remainder of the example, the sensitivity model is based on the dominant injection mechanism (AM-FM conversion) non-ideal metals of the mass. A noise source B2 is added on the VSS port to model this non-ideality of the mass. However, most of the following observations apply with respect to other noise injection inputs.
On cherche donc le modèle de sensibilité qui établit la relation entre un signal de bruit injecté sur l'entrée de masse VSS et la fréquence et/ou amplitude du signal de sortie du VCO, et/ou l'amplitude des raies parasites qui apparaissent autour de la fréquence LO.We therefore seek the sensitivity model which establishes the relation between a noise signal injected on the VSS ground input and the frequency and / or amplitude of the VCO output signal, and / or the amplitude of the parasitic lines that appear around of the LO frequency.
A cet effet, on utilise les équations dérivant de la théorie de base de modulation de fréquence exposées ci-dessous.For this purpose, the equations derived from the basic theory of frequency modulation discussed below are used.
Considérons un signal de tension avec une fréquence fixe sous la forme : v{t) = Vsin{ωct+θ ) (1)Consider a voltage signal with a fixed frequency in the form: v {t) = Vsin {ω c t + θ) (1)
où ωc est la fréquence angulaire fixe et θ la phase. Quand le signal de tension est à fréquence variable, on a: v{t) = Vsm{φ{ή) (2)where ω c is the fixed angular frequency and θ is the phase. When the voltage signal is at a variable frequency, we have: v {t) = Vsm {φ {ή) (2)
où φ(t) est le déplacement angulaire total au temps t. La fréquence instantanée en radians/sec est :
Figure imgf000019_0001
where φ (t) is the total angular displacement at time t. The instantaneous frequency in radians / sec is:
Figure imgf000019_0001
Par exemple, une fréquence constante ωc impliqueFor example, a constant frequency ω c implies
Φ{t) = ωct+Θ (4)Φ {t) = ω c t + Θ (4)
Dans ce cas : dΦ{t) . ω' = ~dt = (ϋc ( ) In this case: dΦ {t) / κ . ω ' = ~ dt = (ϋc ()
De cette façon, une onde modulée en fréquence avec une modulation sinusoïdale a une fréquence instantanée : /Xt) = I + AfCOSlKfJ (6)In this way, a frequency modulated wave with sinusoidal modulation has an instantaneous frequency: / Xt) = I + AfCOSlKfJ (6)
où /cest la fréquence moyenne de la porteuse, et Af la déviation maximale de la fréquence instantanée par rapport à la fréquence moyenne. Il est à noter que Af est proportionnelle au pic d'amplitude du signal modulant et est indépendante de la fréquence de modulation /m . Partant des équations (3) etwhere / c is the average frequency of the carrier, and Af is the maximum deviation of the instantaneous frequency from the average frequency. It should be noted that Af is proportional to the amplitude peak of the modulating signal and is independent of the modulation frequency / m . Starting from equations (3) and
(6), on voit que :(6), we see that:
— — = ωc + 2πΔ/ cosωj (7) dt φ(t) = ω t + ^-sin ω t+θ (8)- - = ω c + 2πΔ / cosωj (7) dt φ ( t ) = ω t + ^ -sin ω t + θ (8)
En négligeante , on a alors le signal modulé en fréquence à partir de l'équation (2) :Neglecting, we then have the frequency-modulated signal from equation (2):
(t) = Fsin ωct + — sinωmt (9) ω(t) = Fsin ω c t + - sinω m t (9) ω
L'équation (9) est généralement écrite sous la forme:Equation (9) is generally written in the form:
v(t) = V sin (ωct + mf sin ωj ) (10) OÙv (t) = V sin (ω c t + m f sin ωj) (10) or
2W = V (11) 2W = V (11)
La quantité mf est l'index de modulation. Elle est proportionnelle au pic d'amplitude du signal modulant et a une dépendance enl//m .The quantity m f is the modulation index. It is proportional to the amplitude peak of the modulating signal and has an enl // m dependency.
Comme on peut le voir dans l'équation (6), Δ/"est proportionnelle à l'amplitude maximale du signal de modulation, V1n , et Af = Kn (VCONTROL )- Vm (12)As can be seen in equation (6), Δ / " is proportional to the maximum amplitude of the modulation signal, V 1n , and Af = K n (VCONTROL) - V m (12)
OR
K1n [VCONTROL) = -^- (13) àVm K 1n [VCONTROL] = - ^ - (13) to V m
est la sensibilité du VCO relative à l'amplitude du signal de bruit d'entrée (qui dépend de la tension de commande VCONTROL du VCO). En utilisant l'égalité trigonométrique : sin(A + B) = sm AcosB + cosAsm B (14)is the sensitivity of the VCO relative to the amplitude of the input noise signal (which depends on the VCONTROL control voltage of the VCO). Using trigonometric equality: sin (A + B) = sm AcosB + cosAsm B (14)
L'équation (10) devient v(t) = V sinωj cos(mf sinωmt)+ V cosωj sin(mf sinωj) (15)Equation (10) becomes v (t) = V sinωj cos (m f sinω m t) + V cosωj sin (m f sinωj) (15)
On utilise les expansions de Bessel:Bessel expansions are used:
COs(W7 sin ωj) = J0{mf )+ 2J2(mf )cos(2ωj)+ 4J4(mf )cos(4ωmt)+ ... (16)COs (W 7 sin ωj) = J 0 {m f ) + 2 J 2 (m f ) cos (2ωj) + 4J 4 (m f ) cos (4ω m t) + ... (16)
Et sin(mf sin ωj) = 2J1 (mf )sin(ωj)+ 2J3 (mf )sin(3ωj)+ ... (17)And sin (m f sin ωj) = 2J 1 (m f ) sin (ωj) + 2J 3 (m f ) sin (3ωj) + ... (17)
L'équation (15) peut maintenant être développée en fonctions de Bessel du premier genre, d'ordre n et d'argument mf :Equation (15) can now be expanded to Bessel functions of the first kind, order n and argument m f :
v{t)/V = sin Gy[JoK )+ 2J 2 cos(2ov)+ .. J r / \ / \ / \ ( \ î (18)v {t) / V = sin Gy [J o K) + 2J 2 cos (2ov) + .. J r / \ / \ / \ (\ i ( 18 )
+ cosωct[2J! \mf jsin(ωm?)+ 2J3 \mf jsin(3ωm?)+ ...J+ cosω c t [2J ! \ m f jsin (ω m ?) + 2J 3 \ m f jsin (3ω m ?) + ... J
En utilisant les identités trigonométriques de somme et les différences d'angles, on obtient : v{t)/V = J0(mf )sïnωctUsing the trigonometric identities of sum and differences of angles, one obtains: v {t) / V = J 0 (m f) sïnω c t
+ J1(m/|sin(ωcm> -sin(ωcm)t]+ J 1 (m / | sin (ω c + ω m > -sin (ω cm ) t]
+ J2 (mf )[sin (ωc + 2ωm > - sin (ωc - 2ωm >] (19)+ J 2 (m f ) [sin (ω c + 2ω m > - sin (ω c - 2ω m >] (19)
+ J3 (mf )[sin (ωc + 3ωm > - sin (ωc - 3ωm )t]+ J 3 (m f ) [sin (ω c + 3ω m > - sin (ω c - 3ω m ) t]
+ ...+ ...
Ainsi, un signal modulé en fréquence consiste en une porteuse et un grand nombre de raies latérales avec des amplitudes données par des fonctions de Bessel du premier genre et d'argument l'index de modulation mf . La fonction de Bessel du premier genre d'ordre n est :Thus, a frequency-modulated signal consists of a carrier and a large number of side lines with amplitudes given by Bessel functions of the first kind and the modulation index argument m f . The Bessel function of the first kind of order n is:
(20)
Figure imgf000021_0001
Le terme dominant dans l'équation (20) est pour / = 0, et mf a une dépendance en \/fm . Ainsi, Jn{mf ) a une dépendance en l//m" . De la même façon, elle a une dépendance en Δ/" .
(20)
Figure imgf000021_0001
The dominant term in equation (20) is for / = 0, and m f has a \ / f m dependency. Thus, J n {m f ) has a dependence on l // m ". In the same way, it has a dependence in Δ /".
Ensuite, on détermine l'amplitude des raies parasites. D'après ce qui précède et en négligeant les termes (l>0) dans (20), on déduit les équations suivantes pour les trois premières raies parasites :Then, the amplitude of the parasitic lines is determined. From the above and neglecting the terms (l> 0) in (20), we deduce the following equations for the first three parasitic lines:
A τs-FM iA τs-FM i
V ( f + f LO 1^ GND^noisV (f + f LO 1 ^ GND ^ nois
' out \J LO — J noise ) /|ι = e (21 )'out \ J LO - J noise) / | ι = e (21)
J noistJ noist
KFM j K FM j
1LO ^GND^noise 1 LO ^ GND ^ noise
' out VJ LO — ^J noise \ (22)'out VJ LO - ^ J noise \ (22)
J noisiJ noisy
A KFM j A K FM j
LO ^GND^-noiseLO ^ GND ^ -noise
^ out VJ LO — ^ J noise \ (23)^ out VJ LO - ^ J noise \ (23)
48 J noise ou vout = (VOUT+)-(VOUT-) est la tension différentielle de sortie du VCO, fL0 est la fréquence d'oscillation du VCO,48 J noise or v out = (VOUT +) - (VOUT-) is the differential output voltage of the VCO, f L0 is the oscillation frequency of the VCO,
/BOκeest la fréquence du bruit sinusoïdal d'entrée,/ BOke is the frequency of the input sinusoidal noise,
AL0 est l'amplitude de la tension de sortie du VCO,At L0 is the amplitude of the output voltage of the VCO,
Anoιse est l'amplitude du bruit sinusoïdal d'entréeA note is the amplitude of the sinusoidal input noise
K™D est la sensibilité de la fréquence du VCO au bruit sur la masse, définie parK ™ D is the sensitivity of the VCO frequency to the noise on the mass, defined by
KZiVCONTROL) = ^ (24) dV, GNDKZiVCONTROL) = ^ (24) dV, GND
L'équation (21) a été publiée dans des études académiques de Méndez et Soens (« Phase noise dégradation of LC-tank VCOs due to substrate noise and package coupling » proc. of 31st ESCIR pages 105-108, de Septembre 2005 ; « Performance dégradation of an LC-tank VCO by impact of digital switching noise » exposé à la conférence « European Solid-State circuits » en 2004, pages 119-121 ; « RF performance dégradation due to coupling of digital switching noise in lightly doped substrates » de février 2003. Ces études se basent toutes sur l'hypothèse « petit signal », qui considère que l'amplitude du bruit injecté est négligeable par rapport aux principaux signaux présents dans un circuit donné.Equation (21) has been published in academic studies of Méndez and Soens ("Phase noise degradation of LC-tank VCOs due to substrate noise and package coupling" proc., 31st ESCIR pages 105-108, September 2005; Performance degradation of an LC-tank VCO by impact of digital switching noise "presented at the conference" European Solid-State circuits "in 2004, pages 119-121;" RF performance degradation due to coupling of digital switching noise in lightly doped substrates " February 2003. These studies are all based on the "small signal" hypothesis, which considers that the amplitude of the injected noise is negligible compared to the main signals present in a given circuit.
Toutefois, cette hypothèse reste insuffisante pour prendre en compte avec précision les non-linéarités inhérentes aux fonctions analogiques/RF. Cette remarque est d'autant plus vraie dans le cadre de simulations de type « pire cas » dans lesquelles on injecte le pire bruit pouvant être injecté sur les entrées sensibles. Dans un tel cas, l'hypothèse « petit signal » n'est plus du tout vérifiée.However, this hypothesis remains insufficient to take into account precisely the non-linearities inherent to the analog / RF functions. This remark is all the more true in the context of "worst-case" simulations in which the worst noise that can be injected into the sensitive inputs is injected. In such a case, the "little signal" hypothesis is no longer verified at all.
C'est pourquoi l'invention met en oeuvre des équations (22) et (23) pour les harmoniques de 2eme et 3eme ordre, et l'équation générale ci-dessous (25) afin d'appréhender tous les mécanismes de couplage avec une précision suffisante, et cela dans tous les scénarios d'agression envisageables. Ces équations ont été validées par comparaison avec des simulations.Therefore the invention implements equations (22) and (23) to the harmonics of 2 nd and 3 rd order, and the general equation below (25) in order to understand all coupling mechanisms with sufficient precision, and this in all possible aggression scenarios. These equations were validated by comparison with simulations.
L'équation générale suivante est une bonne approximation du comportement du VCO :The following general equation is a good approximation of the behavior of the VCO:
A LO K GND^ AnoiseA LO K GND ^ Anoise
' out \J LO — 'V noise \ (25)'out \ J LO -' V noise \ (25)
2kkl J noist2 k k J noist
Des simulations pour valider le principe de superposition des harmoniques et des signaux ont aussi été effectuées. La superposition est valable pour des entrées de bruit faible niveau (à titre d'ordre de grandeur, cette hypothèse est valable pour un niveau inférieur au millivolt). Lorsque l'hypothèse « petit signal » n'est plus valable, il faut envisager l'utilisation de la méthode empirique pour une précision optimale.Simulations to validate the principle of superposition of harmonics and signals have also been performed. The superposition is valid for low level noise inputs (as an order of magnitude, this assumption is valid for a level below the millivolt). When the "small signal" hypothesis is no longer valid, the use of the empirical method must be considered for optimal precision.
En considérant les théories AM et FM, on calcule ensuite l'amplitude du signal de sortie à la fréquence d'oscillation LO du VCO qui dépend de deux mécanismes principaux :Considering the AM and FM theories, we then calculate the amplitude of the output signal at the oscillation frequency LO of the VCO which depends on two main mechanisms:
- Le terme continu du bruit (DC), dû aux variations cycliques de l'activité numérique, augmente linéairement l'amplitude du signal de sortie à la fréquence d'oscillation LO. Le modèle correspondant est le suivant :
Figure imgf000024_0001
- The continuous noise term (DC), due to the cyclic variations of the digital activity, linearly increases the amplitude of the output signal at the oscillation frequency LO. The corresponding model is as follows:
Figure imgf000024_0001
OR
ÂL0 est l'amplitude du signal de sortie à la fréquence d'oscillation LO quand aucun bruit n'est injecté, L0 is the amplitude of the output signal at LO oscillation frequency when no noise is injected,
KLe est 'a tension DC du bruit injecté,KL e is a DC voltage injected noise,
KZ est la sensibilité de l'amplitude à la fréquence LO au bruit à la masse, définie parKZ is the sensitivity of the amplitude at the LO frequency to the noise at the mass, defined by
T)A KZ [VCONTROL) = ±j£- (28) àVGND - Le contenu harmonique FM module l'amplitude LO selon une loi quadratique (termes I = O et I = 1 du développement Bessel). Pour un bruit purement sinusoïdal, le modèle correspondant est :
Figure imgf000024_0002
où AL * 0 est l'amplitude du signal de sortie à la fréquence d'oscillation LO quand aucun bruit n'est injecté, f noise est 'a fréquence du bruit sinusoïdal à l'entrée, Ao,se est l'amplitude du bruit sinusoïdal,
T) A KZ [VCONTROL] = ± j £ - (28) to V GND - The harmonic content FM modulates the amplitude LO according to a quadratic law (terms I = O and I = 1 of the Bessel development). For a purely sinusoidal noise, the corresponding model is:
Figure imgf000024_0002
where A L * 0 is the amplitude of the output signal at the LO oscillation frequency when no noise is injected, f no i is' a frequency sinusoidal noise at the input, A o, is the amplitude of sinusoidal noise,
K™D est la sensibilité de l'amplitude à la fréquence LO au bruit à la masse, définie par l'équation (24).K ™ D is the sensitivity of the amplitude at the LO frequency to the ground noise defined by equation (24).
En se basant sur l'hypothèse de superposition, on déduit l'équation modélisant l'amplitude du signal de sortie du VCO quand plusieurs signaux/harmoniques de bruit sont injectés dans le circuit. La théorie FM donne alors :Based on the superposition hypothesis, the equation modeling the amplitude of the VCO output signal is deduced when several noise signals / harmonics are injected into the circuit. The FM theory then gives:
Kut(fLθ] = Aθ = 4θUJM) (30)Ku t (fLθ] = Aθ = 4θU J M) (30)
où Jo est la fonction de Bessel du premier genre et d'ordre O, et m^est l'indexe de modulation du f"18 signal. Pour des sources de bruit petits signaux, l'opérateur de produit peut être approximé par une somme sans perte de précision. Ensuite, on calcule la fréquence d'oscillation LO principalement influencée par les termes DC du bruit :where Jo is the Bessel function of the first kind and order O, and m ^ is the modulation index of the signal 18. For small signal noise sources, the product operator can be approximated by a sum without loss of precision. Then, the oscillation frequency LO mainly influenced by the DC terms of the noise is calculated:
Λ0 = /;0 +∑Λβc<M (31) n où f* 0 est la fréquence d'oscillation LO du VCO quand aucun bruit n'est injecté,Λ 0 = /; 0 + ΣΛ βc < M (31) n where f * 0 is the oscillation frequency LO of the VCO when no noise is injected,
c est la tension DC du bruit injecté à l'entrée n,A ° c is the DC voltage of the noise injected at the input n,
M est la sensibilité de la fréquence LO au bruit à l'entrée n, définie parM is the sensitivity of the LO frequency to the noise at the input n, defined by
K FM {ycONTROL ) = ^- (32 ) K FM {ycONTROL) = ^ - (32)
BVn BV n
Les paramètres nécessaires pour déterminer les équations (25), (27), (29) et (31) sont :The parameters necessary to determine equations (25), (27), (29) and (31) are:
AL * 0 : amplitude du signal de sortie à la fréquence d'oscillation LO quand aucun bruit n'est injecté, fL0 : fréquence d'oscillation LO quand aucun bruit n'est injecté, K™D : sensibilité de la fréquence du VCO au bruit sur la masse, Kç^D : sensibilité de l'amplitude du VCO au bruit sur la masse.At L * 0 : amplitude of the output signal at the oscillation frequency LO when no noise is injected, f L0 : oscillation frequency LO when no noise is injected, K ™ D : sensitivity of the frequency of the VCO at the noise on the mass, K ç D : sensitivity of the amplitude of the VCO to the noise on the mass.
Pour généraliser à un nombre quelconque d'entrées de bruit (alimentationTo generalize to any number of noise inputs (power supply
VDD, tension de contrôle,...), les paramètres à calculer sont, pour chaque entrée n, la sensibilité de la fréquence KζM et la sensibilité de l'amplitudeVDD, control voltage, ...), the parameters to be calculated are, for each input n, the sensitivity of the frequency Kζ M and the sensitivity of the amplitude
Kf4 du VCO au bruit sur l'entrée n.Kf 4 from VCO to noise on input n.
Il est à souligner que dans le cas d'un VCO, on caractérise de préférence son comportement pour une certaine gamme de valeurs de tensions de contrôle. Les différents paramètres des équations doivent alors être déterminés pour chaque valeur de tension de contrôle.It should be emphasized that in the case of a VCO, its behavior is preferably characterized for a certain range of control voltage values. The different parameters of the equations must then be determined for each control voltage value.
Ensuite, on extrait les valeurs des paramètres des équations du modèle pour le circuit étudié ci-dessus au moyen de simulations RF dédiées. Ces simulations sont basées sur la méthode de l'équilibrage harmonique qui permet de déterminer le régime établi du circuit autonome. A cet effet, l'utilisateur fournit :Then, the values of the parameters of the equations of the model for the circuit studied above are extracted by means of dedicated RF simulations. These simulations are based on the harmonic balancing method which allows to determine the established regime of the autonomous circuit. For this purpose, the user provides:
- une description du schématique du VCO, telle qu'une netlist ou des modèles de transistors,a description of the VCO schematic, such as a netlist or transistor models,
- les paramètres des analyses RF, tels que la fréquence LO estimée, le nombre d'harmoniques à considérer durant l'analyse qui dépend de la non- linéarité du VCO, la précision désirée, les options de performances et la précision des simulations, et- the parameters of the RF analyzes, such as the estimated LO frequency, the number of harmonics to be considered during the analysis which depends on the non-linearity of the VCO, the desired accuracy, the performance options and the accuracy of the simulations, and
- l'environnement de test défini notamment par la valeur idéale de la tension de polarisation, la gamme de valeurs de la tension de contrôle et sa granularité.the test environment defined in particular by the ideal value of the bias voltage, the range of values of the control voltage and its granularity.
Une première série de simulations sans addition de source de bruit externe (cas idéal) est réalisée, permettant d'extraire l'amplitude et la fréquence d'oscillation LO du VCO (paramètres ÂL0 et f* 0 ) pour chacune des valeurs de tension de contrôle appliquées.A first series of simulations without addition of external noise source (ideal case) is carried out, making it possible to extract the amplitude and the oscillation frequency LO of the VCO (parameters λ L0 and f * 0 ) for each of the voltage values. applied controls.
Dans un deuxième temps, une simulation paramétrique est automatiquement effectuée pour chacune des valeurs de la tension de contrôle. Les sources de bruit sont alors considérées comme des sources de tension continue dont on fait varier l'amplitude sur une gamme de valeurs de l'ordre du micron au millivolt. On peut ainsi extraire l'amplitude et la fréquence d'oscillation LO en sortie du VCO pour chaque amplitude des sources de bruit.In a second step, a parametric simulation is automatically performed for each of the values of the control voltage. The sources of noise are then considered as sources of DC voltage whose amplitude is varied over a range of values of the order of one micron to one millivolt. It is thus possible to extract the amplitude and the oscillation frequency LO at the output of the VCO for each amplitude of the noise sources.
Par un calcul classique de pente, on calcule les valeurs des paramètres Kf1 et KζM pour chaque entrée de bruit n et pour chaque valeur de tension de contrôle.By a conventional slope calculation, the values of the parameters Kf 1 and Kζ M are calculated for each noise input n and for each control voltage value.
Une fois l'étape d'extraction des paramètres des équations analytiques terminée, toutes les données nécessaires à la génération du modèle de sensibilité final sont disponibles à savoir :Once the step of extraction of the parameters of the analytical equations is finished, all the data necessary for the generation of the final sensitivity model are available namely:
- l'interface du modèle : la définition des entrées de bruit et des impacts modélisés en sortie ; ainsi que- the model interface: the definition of noise inputs and modeled output impacts; as well as
- le cœur du modèle défini par l'ensemble des équations et des valeurs des paramètres pour chaque valeur de tension de contrôle appliquée.the core of the model defined by the set of equations and the values of the parameters for each applied control voltage value.
Ces données sont encryptées dans un fichier binaire dans un format spécifique permettant son échange entre les différentes équipes de développement, et par exemple avec l'intégrateur du système. Celui-ci peut alors appliquer les signaux de bruit (mesurés ou simulés par des outils dédiés) atteignant la victime étudiée (en l'occurrence, un VCO) et obtenir très rapidement les sorties du modèle et ainsi déterminer l'impact sur la fonctionnalité sensible.These data are encrypted in a binary file in a specific format allowing its exchange between the different teams of development, and for example with the integrator of the system. It can then apply the noise signals (measured or simulated by dedicated tools) reaching the victim studied (in this case, a VCO) and obtain very quickly model outputs and thus determine the impact on sensitive functionality. .
Une fois le modèle élaboré, il est possible de l'utiliser pour simuler l'impact correspondant à des signaux de bruit injectés sur les entrées du modèle.Once the model is developed, it can be used to simulate the impact corresponding to noise signals injected on the model inputs.
A cet effet, l'utilisateur fournit une liste de paramètres en entrée, à savoir :For this purpose, the user provides a list of input parameters, namely:
- la fréquence fondamentale du bruit (fréquence de l'activité numérique s'il s'agit de bruit de commutation dans le cas d'un système mixte),- the fundamental frequency of the noise (frequency of the numerical activity if it is about switching noise in the case of a mixed system),
- le nombre d'harmoniques du bruit (nombre de raies d'intérêt), ou une bande de fréquences,the number of harmonics of the noise (number of lines of interest), or a frequency band,
- la gamme de valeurs de tension de contrôle et sa granularité,- the range of control voltage values and its granularity,
- les paramètres de précision de la simulation du modèle, ainsi que - les spectres de bruit atteignant la victime.- the precision parameters of the simulation of the model, as well as - the noise spectra reaching the victim.
La sortie de la simulation de la sensibilité appliquée à un bloc VCO spécifique est, pour chaque valeur de tension de contrôle, la fréquence LO et l'amplitude de la tension de sortie LO, et un nombre donné K d'amplitudes de raies parasites autour de la fréquence LO : \Vout{fLO ±kfnoιse] , k=0, 1 ,..., K. Dans cet exposé, une seule tension de contrôle est considérée par simplicité. Il est clair que les termes A[o{yCONTROL) , fLO(vCONTROL) ,The output of the simulation of the sensitivity applied to a specific VCO block is, for each control voltage value, the frequency LO and the amplitude of the output voltage LO, and a given number K of parasitic amplitude amplitudes around of the LO frequency: \ V out {f LO ± kf nose ], k = 0, 1, ..., K. In this presentation, only one control voltage is considered for simplicity. It is clear that the terms A [ o {yCONTROL), f LO (vCONTROL),
Kf1 {VCONTROL) et K™ {VCONTROL) sont calculés en utilisant une interpolation, par exemple une interpolation polynomiale par morceaux d'ordre 2, des valeurs tabulées du modèle aux tensions de contrôle simulées. Pour les développements à venir, il est plus intéressant de formuler les coefficients de Bessel sous la forme :
Figure imgf000027_0001
Kf 1 {VCONTROL) and K ™ {VCONTROL) are calculated using interpolation, for example, 2-fold piecewise polynomial interpolation, from modeled tabulated values to simulated control voltages. For future developments, it is more interesting to formulate the Bessel coefficients in the form:
Figure imgf000027_0001
OUOR
N est l'identifiant de l'entrée de bruit, p est l'ordre de Bessel (voir tableau figure 8), k est l'index harmonique,N is the identifier of the noise input, p is the order of Bessel (see table figure 8), k is the harmonic index,
I est l'index du terme dans les séries de Bessel (voir tableau figure 8),I is the term index in the Bessel series (see table figure 8),
A Vn kk est l'amplitude de la kιeme harmonique du signal de bruit n, un = κn FMlfnmse et (34) (35)AV n k k is the amplitude of the harmonic ιeme k of the noise signal n, u n = κ n FM lf NMSE and (34) (35)
En observant les valeurs de βΛp pour les premières valeurs de / et p, il est clair que seul un petit nombre de termes de Bessel peut être considéré pour avoir une précision suffisante (voir tableau de la figure 8).By observing the values of β Λp for the first values of / and p, it is clear that only a small number of Bessel terms can be considered to have sufficient precision (see table in Figure 8).
De préférence, au minimum, tous les termes pour / = 0 sont pris en compte (cellules remplies de points dans le tableau de la figure 8). Toutefois, puisque la précision de l'amplitude LO est cruciale, il est recommandé de considérer le terme (/, p) = (1 , 0) (cellule hachurée de manière oblique dans le tableau figure 8). Une amélioration peut être apportée en calculant les termes (/, p) =Preferably, at least all the terms for / = 0 are taken into account (cells filled with dots in the table of FIG. 8). However, since the precision of the LO amplitude is crucial, it is recommended to consider the term (/, p) = (1, 0) (obliquely shaded cell in the table figure 8). An improvement can be made by calculating the terms (/, p) =
(2, 0), (/, p) = (1 , 1 ) et (/, p) = (1 , 2) (cellules hachurées horizontalement dans le tableau figure 10). Les autres termes restent négligeables en pratique.(2, 0), (/, p) = (1, 1) and (/, p) = (1, 2) (cells hatched horizontally in the table figure 10). The other terms are negligible in practice.
Le nombre de termes p {p = 0..P) pris en compte dépend de l'ordre de non- linéarité du modèle p requis (la précision avec laquelle le modèle supporte la déviation de l'hypothèse de petits-signaux). P = 1 est la valeur minimale, elle peut être augmentée selon le degré de non-linéarité de la cellule.The number of terms p {p = 0..P) taken into account depends on the order of non-linearity of the required model p (the precision with which the model supports the deviation of the hypothesis of small-signals). P = 1 is the minimum value, it can be increased according to the degree of non-linearity of the cell.
Le nombre de raies (autrement dit le nombre d'harmoniques de la fréquence de bruit) à considérer est noté K par la suite.The number of lines (in other words the number of harmonics of the noise frequency) to be considered is noted K thereafter.
D'après ce qui précède, l'amplitude du signal de sortie à la fréquence d'oscillation LO peut être décomposée en une contribution des termes continus du bruit et une contribution FM du contenu harmonique du bruit : A10 = A^ + A™ (36)From the foregoing, the amplitude of the output signal at the oscillation frequency LO can be decomposed into a contribution of the continuous noise terms and an FM contribution of the harmonic content of the noise: A 10 = A ^ + A ™ (36)
Le premier terme est calculé par
Figure imgf000028_0001
n
The first term is calculated by
Figure imgf000028_0001
not
Le second terme est calculé parThe second term is calculated by
< = 4π n ή k=\ jo(^) (38) Une alternative de moindre précision permettant néanmoins de gagner en temps de calcul consiste à remplacer l'opérateur de produit π par celui de la somme Σ dans l'équation (38). En outre, la fréquence d'oscillation réelle est calculée selon l'équation (31 ).<= 4π n ή k = \ j o ( ^ ) (38) An alternative of lesser precision allowing nevertheless to save in computing time consists in replacing the product operator π by that of the sum Σ in the equation (38). In addition, the actual oscillation frequency is calculated according to equation (31).
Par ailleurs, les amplitudes des raies du signal de sortie du VCO sont calculées pour k = 1..K. Pour expliquer la procédure, prenons pour exemple K=4 and P=3 et une seule entrée de bruit n.Moreover, the amplitudes of the lines of the VCO output signal are calculated for k = 1..K. To explain the procedure, take for example K = 4 and P = 3 and a single noise input n.
La Figure 7 illustre l'algorithme permettant de déterminer les contributions de chaque raie d'entrée au bruit de sortie.Figure 7 illustrates the algorithm for determining the contributions of each input line to the output noise.
Plus précisément, les raies An,i ; An,2 ; An,3 ; An,4 ; d'un signal de bruit d'entrée sont appliquées sur des opérateurs de Bessel qui indiquent les contributions de chacune d'elles au bruit de sortie. Pour chaque harmonique d'un ordre donné, les contributions sont ajoutées entre elles au moyen des additionneurs 18.1-18.3. Les contributions résultantes sont alors multipliées par l'amplitude du VCO observable à la fréquence d'oscillation au moyen des cellules 19.1-19.4, afin d'obtenir l'amplitude des raies parasites d'ordre 1 à 4 observables en sortie du VCO.More precisely, the lines A n , i; A n , 2; A n , 3; A n , 4; An input noise signal is applied to Bessel operators that indicate the contributions of each of them to the output noise. For each harmonic of a given order, the contributions are added to each other by means of the adders 18.1-18.3. The resulting contributions are then multiplied by the amplitude of the observable VCO at the oscillation frequency by means of the cells 19.1-19.4, in order to obtain the amplitude of the parasitic lines of order 1 to 4 observable at the output of the VCO.
Dans cet exemple, on déduit donc les amplitudes des raies parasites des équations suivantes:
Figure imgf000029_0001
In this example, the amplitudes of the parasitic lines are deduced from the following equations:
Figure imgf000029_0001
A0Uta = AL0[j2(n,\)+ J1(^l)] (39b)A 0Uta = A L0 [j 2 (n, \) + J 1 (^ l)] (39b)
Aoutj = ALO[j3{n,\)+ J1[Uj)] (39c)A outj = A LO [j 3 {n, \) + J 1 [Uj)] (39c)
A0UtA = Aw[j 2(n,2)+ J1(TiA)] (39d)A 0UtA = A w [ j 2 (n, 2) + J 1 (TiA)] (39d)
L'extension de la méthodologie au cas général (N raies) est évidente pour l'homme du métier.The extension of the methodology to the general case (N lines) is obvious to those skilled in the art.
La Figure 9 montre un exemple de sortie graphique du modèle de sensibilité du VCO (spectre du signal de sortie du VCO) pour plusieurs cas d'injection de bruit et pour une tension de contrôle VCONTROL valant 1V.Figure 9 shows an example of a graphical output of the VCO sensitivity model (VCO output signal spectrum) for several noise injection cases and for a VCONTROL control voltage of 1V.
La courbe 23 représentée en traits pointillés montre le spectre de sortie observable lorsque le bruit le plus faible possible est appliqué sur les entrées d'injection de bruit (meilleur cas). Cette courbe 23 est proche du spectre de sortie idéal comprenant une seule composante à la fréquence d'oscillation LO, les raies parasites autour de cette fréquence présentant une amplitude très faible.The curve 23 represented in dashed lines shows the observable output spectrum when the lowest possible noise is applied to the inputs noise injection (best case). This curve 23 is close to the ideal output spectrum comprising a single component at the oscillation frequency LO, the parasitic lines around this frequency having a very low amplitude.
La courbe 24 représentée en pointillés montre le spectre de sortie observable lorsque le signal de bruit le plus élevé possible est appliqué sur les entrées d'injection de bruit (pire cas). L'amplitude des raies parasites autour de la fréquence d'oscillation LO est plus importante que dans le meilleur cas, de sorte que le pic de la courbe 24 présente une base plus large que celui de la courbe 23.Curve 24 shown in dotted lines shows the observable output spectrum when the highest possible noise signal is applied to the noise injection inputs (worst case). The amplitude of the parasitic lines around the oscillation frequency LO is greater than in the best case, so that the peak of the curve 24 has a wider base than that of the curve 23.
La courbe 25 en traits pleins montre le spectre du signal de sortie du VCO lorsqu'un signal de bruit typique (soit de niveau moyen) est appliqué en entrée du modèle. Cette courbe 25 est proche de la courbe 24 représentant le pire cas, ce qui implique que le concepteur a encore une certaine marge de manœuvre pour immuniser son circuit au bruit.The solid line curve 25 shows the spectrum of the VCO output signal when a typical (ie, medium level) noise signal is input to the model. This curve 25 is close to the curve 24 representing the worst case, which implies that the designer still has some leeway to immunize his circuit noise.
On détaille ci-après un exemple de modélisation de la sensibilité d'un amplificateur de puissance (PA) au bruit externe par une approche empirique, à l'aide d'un réseau de neurones.The following is an example of modeling the sensitivity of a power amplifier (PA) to external noise by an empirical approach, using a neural network.
On dispose de la netlist SPICE de l'amplificateur PA. La figure 10 montre un schéma global de l'amplificateur dont le rôle est d'augmenter la puissance du signal en entrée (Pin) en le déformant le moins possible.We have the SPICE netlist of the PA amplifier. Figure 10 shows an overall diagram of the amplifier whose role is to increase the power of the input signal (Pin) by deforming it as little as possible.
Dans cet exemple, les hypothèses suivantes sont faites :In this example, the following assumptions are made:
- on considère que les lignes de masse constituent le chemin de couplage principal pour le bruit externe (entrée VSS sur la figure 10) : cette hypothèse peut être vérifiée grâce à des simulations RF,it is considered that the ground lines constitute the main coupling path for the external noise (VSS input in FIG. 10): this hypothesis can be verified by means of RF simulations,
- par simplicité, le signal RF est une sinusoïde pure à la fréquence fondamentale de 900 MégaHertz,for simplicity, the RF signal is a pure sine wave at the fundamental frequency of 900 megahertz,
- la bande de fréquence d'intérêt du signal RF est large de 3 MégaHertz de 898.5 MégaHertz à 901.5 MégaHertz, - la fréquence d'horloge du bruit externe B4 agressant l'amplificateur par ses lignes de masse est de 1 MégaHertz, - l'amplificateur PA étant faiblement non-linéaire, on ne considère que les deux mécanismes de transfert du bruit suivants (figure 11): o amplification (couplage direct) des harmoniques de bruit de la bande RF, ce mécanisme étant référencé par la flèche 2, o mélange par inter-modulation (couplage indirect) des harmoniques de la bande de base avec le signal RF, ce mécanisme étant référencé par la flèche 1.- the frequency band of interest of the RF signal is wide of 3 MegaHertz of 898.5 MegaHertz to 901.5 MegaHertz, - the clock frequency of the external noise B4 attacking the amplifier by its lines of mass is 1 MegaHertz, the amplifier PA being weakly nonlinear, only the following two noise transfer mechanisms are considered (FIG. 11): amplification (direct coupling) of the noise harmonics of the RF band, this mechanism being referenced by the arrow 2, o mixture by inter-modulation (indirect coupling) of the harmonics of the baseband with the RF signal, this mechanism being referenced by the arrow 1.
On caractérise l'impact du bruit sur le signal de sortie en termes d'ACPR (Adjacent Channel Power Ratio, en anglais) qui est le rapport de la puissance dans un canal adjacent sur la puissance dans le canal principal. Comme illustré schématiquement par la figure 12, on mesure sur la sortie LOAD les ACPR correspondant au canal adjacent inférieur (de 895.5 MégaHertz à 898.5 MégaHertz), ACPR|0Wer, et au canal adjacent supérieur (de 901.5 MégaHertz à 903.5 MégaHertz), ACPRupPer. Ces figures de mérite peuvent être extraites par post-traitement des résultats de simulation d'Enveloppe de Fourier (disponible dans les simulateurs RF du commerce).The impact of noise on the output signal is characterized in terms of Adjacent Channel Power Ratio (ACPR), which is the ratio of the power in an adjacent channel to the power in the main channel. As illustrated schematically in FIG. 12, the ACPR corresponding to the lower adjacent channel (from 895.5 megahertz to 898.5 megahertz) is measured on the LOAD output, ACPR | 0W er, and at the upper adjacent channel (from 901.5 MegaHertz to 903.5 MegaHertz), ACPR upP er. These merit figures can be extracted by post-processing the Fourier Envelope simulation results (available in commercial RF simulators).
On peut alors procéder à l'initialisation des données nécessaires à la modélisation proprement dite :We can then proceed to the initialization of the data necessary for the actual modeling:
- définition du nom du modèle, de la netlist du sous-circuit correspondant, du nom des entrées/sorties ;- definition of the name of the model, the netlist of the corresponding sub-circuit, the name of the inputs / outputs;
- choix du simulateur et de l'analyse : dans notre cas, nous utilisons le simulateur RF de Mentor Graphics©, à savoir Eldo RF™, et la méthode d'Enveloppe de Fourier (directive modsst) ; mise au point du fichier d'entrée définissant la simulation : directive d'analyse et son paramétrage complet (fréquence fondamentale, nombre d'harmoniques, durée de simulation...), directives d'extraction des mesures caractérisant la sensibilité de la cellule (calcul de
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- choice of simulator and analysis: in our case, we use the Mentor Graphics © RF simulator, namely Eldo RF ™, and the Fourier Envelope method (modsst directive); development of the input file defining the simulation: analysis directive and its complete parameterization (fundamental frequency, number of harmonics, duration of simulation ...), extraction instructions of measurements characterizing the sensitivity of the cell ( calculation of
Figure imgf000031_0001
- définition du nombre d'expériences (simulations) à effectuer pour caractériser la sensibilité de l'amplificateur avec suffisamment de précision : dans cet exemple, une centaine de simulations sont lancées ;- definition of the number of experiments (simulations) to be performed to characterize the sensitivity of the amplifier with sufficient precision: in this example, a hundred simulations are launched;
- définition de la fréquence fondamentale du bruit, des bandes de fréquence et de la gamme d'amplitude du bruit externe : dans cet exemple, la fréquence fondamentale du bruit est de 1 MégaHertz, les bandes de fréquence sont la bande de base (de 1.5 MégaHertz de large) et la bande RF (de 3 MégaHertz de large) ; le bruit arrivant sur la masse suit une distribution gaussienne de valeur nominale -50 dB (Volts) et d'écart-type 0.96 ;- definition of the fundamental frequency of the noise, the frequency bands and the amplitude range of the external noise: in this For example, the fundamental frequency of noise is 1 MegaHertz, the frequency bands are the baseband (1.5 MegaHertz wide) and the RF band (3 MegaHertz wide); the noise arriving at the mass follows a Gaussian distribution of nominal value -50 dB (Volts) and standard deviation 0.96;
- définition de la taille du réseau neuronal en fonction du nombre d'entrées (magnitude et phase des 4 harmoniques du bruit dans les bandes considérées), de sorties (les 2 mesures d'ACPR) et de la complexité du problème à modéliser : dans cet exemple, le réseau comprend une seule couche cachée (interne) dont le nombre de neurones est égal au double du nombre d'entrées, définition de la méthode d'apprentissage du réseau neuronal ainsi que des critères d'arrêt : dans cet exemple, la méthode de Levenberg- Marquardt est choisie pour ses qualités de convergence rapide. La première étape est la caractérisation de la sensibilité de l'amplificateur par simulation (grâce au simulateur tiers Eldo RF™). Une fois les données de simulation collectées, commence alors l'initialisation du réseau neuronal et son entraînement (phase d'apprentissage). Dans cet exemple, une dizaine d'itérations permet d'obtenir une précision de 0.1 % sur la réponse du modèle aux données de simulation.- definition of the size of the neural network according to the number of inputs (magnitude and phase of the 4 harmonics of the noise in the considered bands), outputs (the 2 ACPR measurements) and the complexity of the problem to be modeled: in in this example, the network comprises a single hidden (internal) layer whose number of neurons is twice the number of inputs, definition of the neural network learning method as well as stopping criteria: in this example, the Levenberg-Marquardt method is chosen for its rapid convergence qualities. The first step is the characterization of the sensitivity of the amplifier by simulation (thanks to the Eldo RF ™ third party simulator). Once the simulation data has been collected, then the initialization of the neural network and its training (learning phase) begins. In this example, ten iterations make it possible to obtain an accuracy of 0.1% on the response of the model to the simulation data.
Le modèle ainsi obtenu est numérisé dans un fichier binaire qui peut alors être réutilisé pour appliquer sur l'entrée du modèle des formes de bruit « réelles » (simulées ou mesurées sur le système complet) et obtenir rapidement les sorties d'ACPR en simulant le réseau neuronal. L'intégrateur du système peut ainsi évaluer l'impact du bruit sur l'amplificateur sensible sans connaître le détail de ce bloc ni avoir le savoir-faire nécessaire à la simulation de ce bloc.The model thus obtained is scanned into a binary file which can then be reused to apply "real" noise forms (simulated or measured on the complete system) to the input of the model and quickly obtain ACPR outputs by simulating the neural network. The system integrator can thus evaluate the impact of the noise on the sensitive amplifier without knowing the detail of this block nor having the know-how necessary for the simulation of this block.
La figure 13 montre une représentation schématique de l'intégration de l'invention dans une plateforme globale permettant de modéliser l'injection et la sensibilité au bruit. Une telle plateforme est décrite dans la demande de brevet française n°0552363.Figure 13 shows a schematic representation of the integration of the invention in a global platform for modeling the injection and sensitivity to noise. Such a platform is described in French Patent Application No. 0552363.
Plus précisément, une netlist 27 d'un bloc d'IP à modéliser est appliquée en entrée du module 30, cette netlist comportant des informations relatives aux éléments de ce bloc et aux interconnexions entre ces éléments. En outre, des données 28 relatives aux directives de simulation de la sensibilité du bloc sont également transmises au module 30.More specifically, a netlist 27 of an IP block to be modeled is applied to the input of the module 30, this netlist comprising information relating to the elements of this block and to the interconnections between these elements. In addition, data 28 relating to the sensitivity of the block sensitivity directives are also transmitted to the module 30.
Le module 30 définit alors les entrées d'injection de bruit, les impacts identifiés, les fonctions à modéliser établissant la relation entre les entrées d'injection de bruit et les impacts, les paramètres de simulation, tels que le nombre de couples entrée-impact à simuler dans un mode de fonctionnement empirique, ainsi que les paramètres de modélisation.The module 30 then defines the noise injection inputs, the identified impacts, the functions to be modeled establishing the relation between the noise injection inputs and the impacts, the simulation parameters, such as the number of input-impact couples. to simulate in an empirical mode of operation, as well as the modeling parameters.
Ces paramètres, accompagnés de la description 33 de l'assemblage du système électronique complet, sont transmis au module 31 dit « WaveModeler » qui les utilise pour élaborer un modèle de sensibilité de la cellule, un modèle de propagation du bruit à l'intérieur de la cellule s'il y a lieu et, dans le cas d'une cellule agressive, un modèle d'injection de bruit.These parameters, together with the description 33 of the assembly of the complete electronic system, are transmitted to the module 31 called "WaveModeler" which uses them to develop a model of sensitivity of the cell, a noise propagation model within the cell if applicable and, in the case of an aggressive cell, a noise injection model.
Des modèles d'injection de bruit et de propagation de bruit utilisés dans l'invention sont respectivement décrits dans les demandes de brevet françaises n°0650438 et n°0652642.Noise injection and noise propagation models used in the invention are respectively described in French Patent Applications No. 0650438 and No. 0652642.
Ces modèles sont transmis au module 35 appelé « WaveAnalyst » qui simule par exemple, à partir de la description de l'assemblage du système complet et de la présence décrite par l'entrée 34 des cellules sensibles et des cellules génératrices de bruit, les impacts observés dans le meilleur cas, le pire cas ou le cas typique d'injection de bruit.These models are transmitted to the module 35 called "WaveAnalyst" which simulates for example, from the description of the assembly of the complete system and the presence described by the input 34 of the sensitive cells and the noise generating cells, the impacts observed in the best case, the worst case or the typical case of noise injection.
Le module 39 représente alors le résultat des simulations sous forme graphique ou de tableau qui indique les sorties sensibles (impacts) en fonction des signaux de bruit injectés. L'invention peut par exemple être mise en oeuvre pour la conception des systèmes de type SoC (System on Chip) et SiP (System In Package) afin d'étudier leur sensibilité au bruit.The module 39 then represents the result of the simulations in graphical or table form which indicates the sensitive outputs (impacts) as a function of the injected noise signals. The invention may for example be implemented for the design of systems type SoC (System on Chip) and SiP (System In Package) to study their sensitivity to noise.
L'invention pourra ainsi par exemple être mise en œuvre pour : - les connexions sans-fil faible coût, à faible consommation, - les circuits de type « puce unique » à faible coût, et faible consommation pour des applications Bluetooth ou RFID, - les circuits de téléphones cellulaires pour la radiodiffusion de vidéos numériques à la norme DVB-H, DVB-S, T-DMB, S-DMB et pour la radio définie par logiciel (Software Defined Radio en anglais),The invention can thus for example be implemented for: - low-cost, low-power wireless connections, - low cost "single chip" circuits, and low consumption for Bluetooth or RFID applications, - cellular telephone circuits for digital video broadcasting to DVB-H, DVB-S, T-DMB, S-DMB and for software defined radio (Software Defined Radio),
- les circuits destinés à la communication sans-fil entre puces sur boitier (« On board wireless communication between chips » en anglais),circuits intended for wireless communication between chips on a box ("On board wireless communication between chips"),
- les convertisseurs analogique/numérique haute définition,- high-definition analog / digital converters,
- les circuits pour DVDs haute définition,- circuits for high definition DVDs,
- les circuits numériques très haute vitesse (PLLs, blocks d'entrée sortie), ou- very high speed digital circuits (PLLs, input-output blocks), or
- les microprocesseurs par exemple de type à architecture parallèle,microprocessors, for example of the parallel architecture type,
Pour chacun de ces systèmes électroniques, l'invention est utilisée :For each of these electronic systems, the invention is used:
- pour comprendre et améliorer l'immunité au bruit externe lors de la conception des blocs d'IP, et/ou- to understand and improve external noise immunity when designing IP blocks, and / or
- pour caractériser leur sensibilité, par exemple lors de la validation (« sign- off ») du bloc d'IP afin de vérifier le bon fonctionnement du bloc dans un système plus complexe tel qu'un bloc IP issu de l'assemblage de sous-blocs, un circuit intégré mono-puce, un système intégrant plusieurs circuits intégrés, un circuit imprimé, et les combinaisons de tous les systèmes précités.- to characterize their sensitivity, for example during the validation ("sign-off") of the IP block in order to verify the proper operation of the block in a more complex system such as an IP block resulting from the assembly of sub blocks, a single-chip integrated circuit, a system incorporating several integrated circuits, a printed circuit, and the combinations of all the aforementioned systems.
L'invention concerne également le logiciel ou le circuit électronique équivalent mettant en œuvre les étapes du procédé selon l'invention. The invention also relates to the software or the equivalent electronic circuit implementing the steps of the method according to the invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de modélisation de la sensibilité au bruit d'un circuit électronique sensible de type analogique et/ou radio-fréquentiel, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :1. A method for modeling the sensitivity to noise of a sensitive electronic circuit of analog and / or radio frequency type, characterized in that it comprises the following steps:
- on identifie à quelle classe appartient le circuit sensible (5, 7),identifying which class the sensitive circuit belongs to (5, 7),
- on sélectionne, parmi les bornes du circuit, les entrées (nik-nNk) d'injection de bruit de la cellule sur lesquelles des signaux de bruit extérieurs à la cellule sont susceptibles d'être injectés, les entrée d'injection de bruit comprenant notamment les entrées d'alimentation du circuit sensible,one selects, among the terminals of the circuit, the inputs (ni k -nN k ) of noise injection of the cell on which noise signals outside the cell are likely to be injected, the injection inputs of noise including in particular the supply inputs of the sensitive circuit,
- on sélectionne des impacts de sortie (iik-ipk), tels que l'amplitude ou la fréquence du signal d'une des sorties de la cellule ou la valeur d'une bande de bruit dans le signal d'une des sorties de la cellule, influencés par l'injection des signaux de bruit sur les entrées d'injection de bruit, et - on calcule le modèle de sensibilité (f1*) assurant la relation entre des signaux de bruit injectés sur les entrées (nik-nN k) d'injection de bruit et les impacts de sortie (hk-ipk) sélectionnés, etselection of output impacts (ii k -ip k ), such as the amplitude or the frequency of the signal of one of the outputs of the cell or the value of a noise band in the signal of one of the outputs of the cell, influenced by the injection of the noise signals on the noise injection inputs, and - the sensitivity model (f 1 *) ensuring the relationship between noise signals injected on the inputs ( k -n N k ) noise injection and the output impacts (h k -ip k ) selected, and
- on associe ce modèle de sensibilité (f) à une description de la cellule sensible (5, 7), cette description de la cellule sensible (5, 7) comportant les données de la cellule sensible nécessaires à son intégration mais pas tout le détail de sa structure.this sensitivity model (f) is associated with a description of the sensitive cell (5, 7), this description of the sensitive cell (5, 7) comprising the data of the sensitive cell necessary for its integration but not all the detail of its structure.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la classe du circuit sensible (5, 7) est choisie dans le groupe comportant : les amplificateurs de puissance ou à faible bruit, les mélangeurs de fréquence, les diviseurs/multiplicateurs de fréquence, les contrôleurs automatiques de gain, les oscillateurs et les boucles à verrouillage de phase, les filtres, les systèmes comprenant plusieurs des cellules précitées.2. Method according to claim 1, characterized in that the class of the sensitive circuit (5, 7) is chosen from the group comprising: power amplifiers or low noise, frequency mixers, frequency dividers / multipliers, automatic gain controllers, oscillators and phase-locked loops, filters, systems comprising a plurality of the aforementioned cells.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que pour calculer le modèle de sensibilité, on détermine la fonction analytique3. Method according to claim 1 or 2, characterized in that for calculating the sensitivity model, the analytic function is determined
(IVout(fLo±kfnoise)l, IVout(fL.o)l) correspondant au groupe du circuit sensible déterminé, cette fonction présentant des coefficients {K™D , K^D) qui dépendent du modèle du circuit utilisé et on effectue des simulations afin d'extraire les valeurs de ces coefficients. (IVout (fLo ± kfnoise) l, IV or t (fL.o) l) corresponding to the group of the determined sensitive circuit, this function having coefficients {K ™ D , K ^ D ) which depend on the model of the circuit used and performs simulations to extract the values of these coefficients.
4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, la cellule étant un VCO, les entrées d'injection de bruit sont choisies parmi la borne de masse (VSS), d'alimentation (VDD) et la borne (VCONTROL) du signal de contrôle, et les impacts sont choisis parmi la bande de bruit à proximité de la fréquence d'oscillation (LO) du signal de sortie, l'amplitude (ALo) du signal de sortie à la fréquence d'oscillation (LO) du signal de sortie, ou la fréquence d'oscillation (LO) du signal de sortie.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that, the cell being a VCO, the noise injection inputs are selected from the ground terminal (VSS), power supply (VDD) and the terminal (VCONTROL) of the control signal, and the impacts are selected from the noise band near the oscillation frequency (LO) of the output signal, the amplitude (A L o) of the output signal at the frequency oscillation (LO) of the output signal, or the oscillation frequency (LO) of the output signal.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que pour un signal de bruit injecté sur la borne de masse (VSS), la valeur de l'amplitude des raies parasites présentant une fréquence égale à la fréquence d'oscillation (LO) augmentée ou diminuée d'un multiple (k) de la fréquence de bruit (fn0ise) dépend de - l'amplitude (ALo) du signal de sortie à la fréquence d'oscillation (LO) pondérée par5. Method according to claim 4, characterized in that for a noise signal injected on the ground terminal (VSS), the amplitude value of the parasitic lines having a frequency equal to the oscillation frequency (LO) increased or decreased by a multiple (k) of the noise frequency (f n0 ise) depends on - the amplitude (A L o) of the output signal at the oscillation frequency (LO) weighted by
- le rapport entre- the relationship between
- le produit de l'amplitude du signal de bruit injecté et de la sensibilité (K™D) de la fréquence d'oscillation du VCO au bruit sur la masse, etthe product of the amplitude of the injected noise signal and the sensitivity (K ™ D ) of the oscillation frequency of the VCO to the noise on the mass, and
- la fréquence (fn0ise) du signal de bruit,- the frequency (f n0 ise) of the noise signal,
- ce rapport étant élevé à la puissance du multiple (k) de la fréquence considérée.this ratio being raised to the power of the multiple (k) of the frequency considered.
6. Procédé selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que l'amplitude (ALO) du signal de sortie à la fréquence d'oscillation du VCO dépend deMethod according to claim 4 or 5, characterized in that the amplitude (A LO ) of the output signal at the oscillation frequency of the VCO is dependent on
.- l'amplitude du signal de sortie à la fréquence d'oscillation lorsqu'aucun bruit n'est injecté multipliée par le produit, pour tous les signaux de bruit, de la fonction de Bessel Jo du premier genre et d'ordre O appliquée à l'index de modulation (mf ι ) de chacun de ces signaux.the amplitude of the output signal at the oscillation frequency when no noise is injected multiplied by the product, for all the noise signals, of the Bessel Jo function of the first kind and of the applied order O to the modulation index (m f ι ) of each of these signals.
7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la sensibilité de la fréquence du VCO au bruit sur la masse (VSS) est définie par le rapport entre - la variation de la fréquence du VCO (dfι_o), et7. Method according to claim 5 or 6, characterized in that the sensitivity of the frequency of the VCO to the noise on the mass (VSS) is defined by the ratio between - the variation of the frequency of the VCO (dfι_o), and
- la variation de la tension de masse (dVGND),the variation of the ground voltage (dV G ND),
- pour une fréquence de contrôle du VCO donnée.- for a given VCO control frequency.
8. Procédé selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que la fréquence d'oscillation (fι_o) réelle du signal de sortie du VCO dépend de la somme entre8. Method according to one of claims 4 to 7, characterized in that the actual oscillation frequency (fι_o) of the VCO output signal depends on the sum between
- la fréquence d'oscillation idéale (f\o) du VCO et- the ideal oscillation frequency (f \ o) of the VCO and
- la somme, pour toutes les entrées de bruit considérées, des produits de la composante de tension continue du signal de bruit injecté sur une entrée donnée (n) et de la sensibilité de la fréquence (K™D) du VCO à cette entrée.the sum, for all the noise inputs considered, of the products of the DC voltage component of the noise signal injected on a given input (n) and of the sensitivity of the frequency (K ™ D ) of the VCO at this input.
9. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la sensibilité de la fréquence du VCO au bruit à une entrée donnée est définie par le rapport entre9. Method according to claim 5 or 6, characterized in that the sensitivity of the frequency of the VCO to noise at a given input is defined by the ratio between
- la variation de la fréquence d'oscillation (dfι_o), etthe variation of the oscillation frequency (dfι_o), and
- la variation de la tension (dVn) appliquée à l'entrée considérée,the variation of the voltage (dV n ) applied to the input considered,
- pour une tension de contrôle (VCONTROL) du VCO donnée.- for a control voltage (VCONTROL) of the given VCO.
10. Procédé selon l'une des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que, pour extraire les paramètres de l'amplitude à la fréquence d'oscillation lorsque aucun bruit n'est injecté (A* L0), la fréquence d'oscillation (f* L0) lorsque aucun bruit n'est injecté, la sensibilité (KζM ) de la fréquence d'oscillation au bruit sur une des entrées d'injection de bruit, et la sensibilité {K^M ) de l'amplitude du VCO au bruit sur une des entrées d'injection de bruit, dans un environnement de test,10. Method according to one of claims 4 to 9, characterized in that, to extract the parameters of the amplitude at the oscillation frequency when no noise is injected (A * L0 ), the oscillation frequency (f * L0 ) when no noise is injected, the sensitivity (Kζ M ) of the oscillation frequency to the noise on one of the noise injection inputs, and the sensitivity {K ^ M ) of the amplitude of the VCO to noise on one of the noise injection inputs, in a test environment,
- on effectue une série de simulations sans addition de source de bruit externe sur le VCO modélisé, cette série de simulations permettant d'extraire l'amplitude AL * 0 et la fréquence fL * 0 LO du VCO pour chacune des valeurs de tension de contrôle,a series of simulations is performed without the addition of an external noise source on the modeled VCO, this series of simulations making it possible to extract the amplitude A L * 0 and the frequency f L * 0 LO of the VCO for each of the voltage values control,
- on effectue une simulation paramétrique pour chacune des valeurs de la tension de contrôle (VCONTROL), les sources de bruit étant alors considérées comme des sources de tension continue dont on fait varier l'amplitude sur une gamme de valeurs de l'ordre du micron au millivolt, - on extrait l'amplitude et la fréquence d'oscillation en sortie du VCO pour chaque amplitude des sources de bruit, eta parametric simulation is carried out for each of the values of the control voltage (VCONTROL), the noise sources then being considered as sources of DC voltage whose amplitude is varied over a range of values of the order of one micron at millivolt, the amplitude and oscillation frequency at the output of the VCO are extracted for each amplitude of the noise sources, and
- par un calcul classique de pente, on obtient les valeurs des paramètres Kf1 et K™ pour chaque entrée de bruit (n) et pour chaque valeur de tension de contrôle.by a conventional slope calculation, the values of the parameters Kf 1 and K ™ are obtained for each noise input (n) and for each control voltage value.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'environnement de test est défini notamment par la gamme de valeurs de la tension de contrôle (VCONTROL) du VCO et sa granularité.11. The method of claim 10, characterized in that the test environment is defined in particular by the range of values of the control voltage (VCONTROL) of the VCO and its granularity.
12. Procédé selon la revendication 10 ou 11 , caractérisé en ce que pour effectuer les simulations :Method according to claim 10 or 11, characterized in that for carrying out the simulations:
- on définit les paramètres des simulations RF, le nombre d'harmoniques à considérer durant l'analyse dépendant de la non-linéarité du VCO, la précision désirée, et des options de performance.the parameters of the RF simulations, the number of harmonics to be considered during the analysis depending on the non-linearity of the VCO, the desired accuracy, and performance options are defined.
13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que les données relatives au modèle de sensibilité sont encryptées dans un fichier binaire dans un format spécifique, permettant son échange entre équipes de développement.13. Method according to one of claims 1 to 12, characterized in that the data relating to the sensitivity model are encrypted in a binary file in a specific format, allowing its exchange between development teams.
14. Procédé selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que pour déterminer le modèle de sensibilité,14. Method according to one of claims 1 to 13, characterized in that to determine the sensitivity model,
- on configure (2.2) un réseau de neurones en définissant un nombre de couches de neurones,configuring (2.2) a network of neurons by defining a number of layers of neurons,
- on effectue (2.3) des simulations de type analogiques, RF ou mixtes sur le circuit de manière à obtenir un ensemble de couples de mesures entrée/impact,analog simulations, RF or mixed simulations are performed on the circuit so as to obtain a set of input / impact measurement pairs,
- on entraîne (2.4) le réseau de neurones avec les données collectées par simulation, et- driving (2.4) the neural network with the data collected by simulation, and
- on arrête le processus d'entraînement lorsque le modèle obtenu reproduit les expériences de la simulation avec la précision souhaitée. - the training process is stopped when the model obtained reproduces the simulation experiments with the desired precision.
15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que la méthode d'entraînement du réseau neuronal est la méthode de Levenberg- Marquardt.15. The method of claim 14, characterized in that the training method of the neural network is the Levenberg-Marquardt method.
16. Procédé selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce qu'on découpe le circuit en plusieurs blocs fonctionnels, chaque bloc étant modélisé individuellement, le modèle du circuit résultant de la combinaison des modèles des différents blocs.16. Method according to one of claims 1 to 15, characterized in that the circuit is cut into several functional blocks, each block being modeled individually, the circuit model resulting from the combination of the models of the different blocks.
17. Procédé selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que, dans un système d'analyse macroscopique, sa mise en oeuvre est combinée avec celle de procédés de modélisation d'injection et de propagation de bruit afin de déterminer l'influence du bruit sur l'ensemble du circuit électronique. 17. Method according to one of claims 1 to 16, characterized in that, in a macroscopic analysis system, its implementation is combined with that of noise injection and propagation modeling methods to determine the influence of noise on the entire electronic circuit.
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