用Momentum和ADS完成微波IC的精確仿真

1、用Momentu嘛口ADS完成彳散波IC的精確仿真用ADS和Momentum完成微波/RFIC版圖級(jí)的精確驗(yàn)證ADS應(yīng)用筆記之7摘要：這篇筆記指出了基于電磁場(chǎng)的版圖級(jí)仿真的重要性，提出了用于版圖級(jí)驗(yàn)證的電磁場(chǎng)和電路的復(fù)合仿真方法。一個(gè)Ka頻段和一個(gè)寬帶功率MMIC的版圖電磁分析結(jié)果經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)。1.引言對(duì)于大多數(shù)的電子設(shè)計(jì)，比如低頻模擬或數(shù)字電路，版圖布局過(guò)程與仿真過(guò)程是分開(kāi)的、相獨(dú)立的。RF和微波設(shè)計(jì)要求仿真同版圖緊密相連，版圖布局對(duì)于電路性能是關(guān)鍵的，應(yīng)作為設(shè)計(jì)過(guò)程的一個(gè)集成部分。版圖布局過(guò)程通常會(huì)引入像寄生或者耦合這些不希望的因素，從而使電路特性漂移或者退化，特別是對(duì)于高頻或者高密版圖。為

2、了實(shí)現(xiàn)一次設(shè)計(jì)成功，電路設(shè)計(jì)和版圖布局完成之后，進(jìn)行版圖級(jí)的電磁場(chǎng)驗(yàn)證是很重要的。IC在這篇筆記中，我們提出一個(gè)復(fù)合的電磁和電路分析方法實(shí)現(xiàn)MMDA的版圖驗(yàn)證。電路仿真的長(zhǎng)處在于其效率和靈活性，而電磁場(chǎng)仿真能處理任意的結(jié)構(gòu)以及寄生、耦合和輻射等效應(yīng)。提出的方法已實(shí)現(xiàn)在商用E軟件ADS中，兩個(gè)MMIC實(shí)例證實(shí)了版圖電磁驗(yàn)證的重要性和精確性。2.方法1電磁基版圖驗(yàn)證包含二個(gè)連續(xù)的步驟：全電路版圖無(wú)源部分的電磁仿真和包含電磁仿真結(jié)果的全電路分析。2用作電磁分析的無(wú)源部分不包含半導(dǎo)體器件以及連接輸入、輸出和偏置等的鍵合引線(xiàn)。如果電路中的器件模型采用S參數(shù)文件，則電磁分析的頻率僅包含頻段內(nèi)的各頻率點(diǎn)；如

3、果電路中的器件模型采用非線(xiàn)性模型而且要進(jìn)行S參數(shù)分析，則電磁分析的頻率還包括DC;如果電路中的器模型采用非線(xiàn)性模型而且要進(jìn)行大信號(hào)分析，則電磁分析的頻率還包括DC、頻段內(nèi)各頻率點(diǎn)的各次諧波。電磁分析方法的選擇與分析的頻段和電路對(duì)象有關(guān)。當(dāng)電路是電小尺寸的、幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且沒(méi)有輻射現(xiàn)象，準(zhǔn)靜態(tài)電磁方法是一個(gè)好的選擇，它可完成快速而準(zhǔn)確的仿真；否則，應(yīng)該考慮全波電磁仿真，比如矩量法。3全電路仿真包含了多端口電磁仿真數(shù)據(jù)、半導(dǎo)體器件、必要的健合線(xiàn)以及信號(hào)、負(fù)載和偏置源。此階段實(shí)際上是通常的電路仿真，像S參數(shù)、諧波平衡和大信號(hào)S參數(shù)等分析，都能執(zhí)行。4本文方法實(shí)現(xiàn)在ADS中。電磁仿真利用了其2.5D平

4、面電磁模擬器Momentum。Momentum包含了兩種仿真技術(shù)：準(zhǔn)靜態(tài)電磁仿真（MomentumRF）和全波矩量仿真（MomentumMW）。電磁、電路、版圖、顯示等所有的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)集成在單一的設(shè)計(jì)環(huán)境之下，相當(dāng)?shù)姆奖恪? .兩個(gè)應(yīng)用實(shí)例1Ka波段功率MMIC這是一個(gè)MESFET單級(jí)放大器，其設(shè)計(jì)頻段是34.535.5GHz,大信號(hào)增益大于4dB,輸出功率大于100mW。輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)采用了微帶傳輸線(xiàn)段、開(kāi)路分支線(xiàn)和薄膜電容等。為了提高電路穩(wěn)定性，在輸入端設(shè)計(jì)了一個(gè)薄膜電阻與電容的組合網(wǎng)絡(luò)。優(yōu)化的大信號(hào)增益和功率特性示于圖1和圖2（實(shí)線(xiàn)），用作電磁分析的、不包含器件和鍵合的電路版圖示于圖3

5、。電路的實(shí)測(cè)結(jié)果顯示了3233GHz頻段，其它指標(biāo)滿(mǎn)足要求。圖4給出了用作電磁驗(yàn)證的電路圖，在此基于電磁的全電路無(wú)源部分以一個(gè)6端口S參數(shù)元件表征。電磁仿真采用全波矩量法，感興趣的頻段是3237GHz,步長(zhǎng)為1GHz,考慮4次諧波，總計(jì)包含25個(gè)頻率點(diǎn)、每個(gè)頻率點(diǎn)求解2500多個(gè)電流變量。整個(gè)仿真求解，在P41.7GHz微機(jī)上花了大約1小時(shí)30分鐘?；诎鎴D電磁分析的電路仿真結(jié)果顯示在圖1和圖2（虛線(xiàn)）中。仿真結(jié)果清晰地顯示出中心頻率已下移至33.5GHz。頻帶的下移很可能是由于版圖寄生效應(yīng)。一個(gè)邏輯的設(shè)計(jì)改進(jìn)方法是使電路優(yōu)化的頻率指標(biāo)高于要求的指標(biāo)，版圖設(shè)計(jì)完成后再進(jìn)行電磁場(chǎng)分析驗(yàn)證。22-

6、7GHz功率MMIC另一個(gè)電路實(shí)例是一個(gè)寬頻帶功率單片電路。其要求的頻段為27GHz,大信號(hào)增益15±0.5dB,1dB增益壓縮點(diǎn)的輸出功率400mW。該放大器設(shè)計(jì)為兩級(jí)，前級(jí)采用1個(gè)1250umX0.5umHFET器件，后級(jí)采用2個(gè)相同的器件。有耗匹配技術(shù)用來(lái)展寬頻帶。電路的優(yōu)化結(jié)果是很好的，示于圖5和6（實(shí)線(xiàn)）。但實(shí)測(cè)結(jié)果展示了土1dB的增益平坦度和在6GHz以上增益特性的明顯衰減。為了診斷這個(gè)電路問(wèn)題，執(zhí)行了一個(gè)基于電磁的版圖驗(yàn)證分析。在此選擇了準(zhǔn)靜態(tài)電磁仿真(MomentumRF),考慮18GHz頻段、1GHz步長(zhǎng)間隔、4次諧波，總計(jì)是22個(gè)頻率點(diǎn)、每頻率點(diǎn)求解6000多個(gè)電

7、流變量。全部過(guò)程在P41.7GHz微機(jī)上花了大約2小時(shí)10分鐘。不包含HFET器件和外鍵合引線(xiàn)的電路版圖如圖7示意，用作全電路驗(yàn)證的電路圖如圖8所示。這個(gè)基于電磁的仿真結(jié)果顯示在圖5和6(,線(xiàn))中，顯示出電路的特性不能滿(mǎn)足指標(biāo)要求。仔細(xì)的分析研究正在進(jìn)行，偏置電路、有耗電阻以及電容的布局可能有問(wèn)題。4 .小結(jié)本文提出了MMIC的版圖級(jí)電磁分析方法并應(yīng)用到兩個(gè)實(shí)際的電路問(wèn)%。該方法可用作為設(shè)計(jì)驗(yàn)證或者故障診斷，以提高設(shè)計(jì)成功率。這個(gè)電磁驗(yàn)證技術(shù)可直接推廣到SiRFIC的設(shè)計(jì)過(guò)程。ne輸出功率對(duì)頻率13EU J4E10Effl口 .hmrer昌。0.-笈山 EOD00CLfre.圖2 . Ka-b

8、and . MMIC:.輸出駐波比對(duì)頻.W/IRE則月匚WflrelWireSKa-band MMIC:-0=35 uni1 L=S5L um圖4 Ka-band MMIC: 包含版圖電磁分析數(shù)據(jù)的全電路大信號(hào) S參數(shù) 仿真電路PL 1Ti>Fi4 PORTS -在加OhmP"pobr(d bmtoiufpinD)Fntq=friWIRE . 我t歸工 D*?5 urn 匕 4tW urnTeirn , . ITerml Num=i 杏 5口 Ohm .''''年郎 dm '''1 L=Z5D um +1nd»1

9、M1tVDC ri SRCtGsflsF ET FET1 ModMFET時(shí) x：E - D=2i nmL=4pO 呼Temp=.<te=rionjner ,-V DC_7 snra rI油出占力 J_IAILLlr云L圖5.寬帶MMIC:輸出功率對(duì)頻率圖6.寬帶MMIC:輸入駐波比對(duì)頻率圖7,寬帶MMIC:電路版圖（不含器件和鍵合）TtmlDUgm加IRIE圳IltTD-25DimL-3EDHIinRilD利IREkWirt?JD-25HmrL-hfflrelmKbOlDY.DE/0屯WLtfi2vF【Tfuntfei-mfe1IRE胤MtEAQIm>LUIinRio-1JOIFP"0小一個(gè)心修I祥口UURE如隹4>口詢(xún)S11PSNP1nnLHbuleim>WIRE)Wllt1口25口lltwl但I(xiàn)ITlRbO-1flIv-Qf，“2>.u中IAJIRE、叩ns：1D-至nimJ