基于随机模型拟合的高速4:1模拟多路复用器行为建模研究

《IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs》：A Behavioral Model for High-Speed 4:1 Analog Multiplexers, Utilizing Stochastic Modelfitting

本刊推荐：为突破CMOS技术模拟带宽瓶颈，研究人员开展高速4:1模拟多路复用器（AMUX）行为模型研究。通过随机优化算法拟合布局仿真数据，构建比传统EDA仿真快数个数量级的系统级模型，匹配度达-19dB NMSE，为光通信DSP算法开发提供高效仿真平台。

　　

随着全球数据流量呈指数级增长，光通信网络中的数字模拟转换器（DAC）面临严峻的带宽挑战。尽管CMOS技术因成本效益被广泛采用，但其微观结构的寄生效应导致模拟带宽进入平台期。值得关注的是，采用硅锗（SiGe）技术的模拟多路复用器（AMUX）通过交织多个DAC输出，可突破CMOS带宽限制，成为提升光发射机性能的关键方案。

本研究针对直接型4:1 AMUX芯片，提出一种基于随机模型拟合的行为建模方法。通过增强型模拟退火算法自主探索参数空间，将系统级仿真速度提升数个数量级，为开发高速光通信数字信号处理（DSP）算法提供高效平台。

关键技术方法包括：1）采用四相时钟路径架构和双曲正切（tanh）函数模拟AMUX核心开关特性；2）通过巴特沃斯低通滤波器（LPF）建模数据路径寄生效应；3）利用IHPSG13G3工艺的布局仿真数据作为训练集；4）采用两阶段拟合策略分别优化时钟路径和数据处理参数。

模型架构设计

研究团队基于2:1 AMUX模型进行扩展，构建包含四个独立数据路径的4:1模型架构。时钟路径采用正交发生器生成0°、90°、180°和270°相移信号，每个通道配备可配置增益、偏置和延迟参数。AMUX核心使用参数化tanh函数f(x)=tanh(a(x+b))模拟晶体管开关特性，其中a控制曲线陡度，b调整偏置。数据路径通过巴特沃斯低通滤波器模拟寄生电容效应，并添加高斯白噪声（AWGN）和信号隔离模块。

随机优化算法

研究采用改进版模拟退火算法进行参数拟合，通过归一化均方误差（NMSE_dB）作为目标函数。算法通过动态调整高斯采样的方差，增强温度对参数搜索范围的控制。与暴力搜索相比，该算法在50,000次迭代中更快收敛，时钟路径拟合NMSE降低至-35dB以下。

拟合结果验证

模型在200GBdPAM-4信号仿真中表现出良好匹配度，输出频谱在200GHz内与参考数据高度一致。关键参数如tanh参数a=16.91和输出LPF带宽388GHz被稳定识别。十次重复拟合的NMSE方差仅为0.2dB，验证了方法的稳定性。

讨论与展望

该行为模型成功将复杂AMUX电路抽象为可配置参数系统，仿真速度较布局级EDA工具提升显著。未来可通过扩展滤波器模型自由度、增加时钟抖动和非线性损伤模块进一步提升精度。该方法为更高速率的光通信系统设计提供了可靠的仿真基础。

研究结论表明，基于随机优化的行为建模方法能有效平衡仿真精度与效率，为下一代超400GBd光通信系统的DSP算法开发提供了关键技术支撑。该模型框架具备扩展性，可适配未来更复杂的损伤模型和测量数据。