【無線射頻仿真】-四種射頻器件設(shè)計的TCAD仿真方法比較分析

1/1四種射頻器件設(shè)計的TCAD仿真方法比較分析計算機(jī)幫助設(shè)計技術(shù)(TCAD)應(yīng)用到設(shè)計領(lǐng)域最通常的目的就是猜測，仿真能使工程師了解設(shè)計。在某些狀況下，仿真可用來處理一些不能在試驗室測量的東西，仿真正越來越多地用于提高制造良率。當(dāng)猜測牢靠時，猜測在技術(shù)開發(fā)過程中就具有很大優(yōu)勢。盡管猜測的趨勢和數(shù)量有時會與測量的實際數(shù)據(jù)有些出入，但在絕大多數(shù)狀況下，TCAD還是能依據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)供應(yīng)最精確?????地猜測。

圖1：RF放大器電路。

這就為所考慮的電路和器件的全部大信號仿真提出了一個清晰的案例。假如工程師盼望評估當(dāng)時還沒有已測量數(shù)據(jù)的新器件，就必需采納TCAD解決方案。TCAD數(shù)據(jù)的大信號仿真通過四種方法完成：1.在TCAD中采納混合模式的瞬態(tài)仿真；2.在TCAD工具中直接采納集成的諧波平衡(HarmonicBalance)進(jìn)行大信號仿真；3.特別工具將復(fù)合仿真結(jié)果和電路設(shè)計整合；4.從TCAD數(shù)據(jù)提取大信號緊湊模型，并使用這些模型來理解大信號特征參數(shù)。

討論采納最基本方法，即混合模式進(jìn)行仿真的可能性特別重要。在混合模式中，瞬態(tài)電路仿真直接在TCAD軟件中完成。在通常狀況下，電路設(shè)計師并不采納瞬態(tài)仿真而是采納諧波平衡來解決這些大信號仿真問題。面臨的挑戰(zhàn)主要是在工作臺(workbench)內(nèi)精確?????描述RF電路，然后采納簡潔的單(或雙)頻率載波(CW)輸入功率掃描，執(zhí)行TCAD仿真。瞬態(tài)仿真必需在穩(wěn)定狀態(tài)下執(zhí)行，可能需要幾個周期的時間。在器件處于壓縮時，這種仿真可能會面臨更多數(shù)值上的挑戰(zhàn)。所仿真的時間序列必需足夠長，才能描述所需的最低頻率。對于雙音或多音(tone)問題，可能需要很長時間的瞬態(tài)仿真。因此，運(yùn)行功率掃描可能特別耗時。此外，混合模式工作臺的設(shè)計大多特別糟糕，由于它缺少像復(fù)抗阻這樣的關(guān)鍵項。對于實際電路而言，這種方法的主要問題是速度和收斂。其次種方法是在TCAD仿真工具中實現(xiàn)諧波平衡。諧波平衡方法更正確的稱呼是KCL-HB或基爾霍夫電流定律諧波平衡，用于安捷倫公司的先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)(ADS)、Cadence的Spectre-RF，以及在RF和模擬設(shè)計中常用的其它電路仿真器。諧波平衡是一種非線性的頻域技術(shù)，用于確定具有較寬頻率變化內(nèi)容的系統(tǒng)的準(zhǔn)周期穩(wěn)態(tài)解決方案。這種方法采納下列等式：

該等式描述了線性和非線性電路電流之間的關(guān)系，括號中的參數(shù)是線性部分，其余的是非線性部分的。Is是電源電流，Y是線性電路導(dǎo)納矩陣(admittancematrix)，V是內(nèi)部節(jié)點電壓矢量，Ω是對角線上的角頻率矩陣，Q是頻域中的電荷矢量，IG是頻域中的非線性電路的電流。當(dāng)線性和非線性電路達(dá)到平衡時，這種解決方案就開頭收斂。利用TCAD的實現(xiàn)方案需要大量開發(fā)工作。盡管這一領(lǐng)域有了大量的討論和源于高校的程序可用，但市場上始終沒有供應(yīng)牢靠的工具。諧波平衡是大信號RF問題采納的一種方法，通常在電路仿真工具中執(zhí)行。諧波平衡是一種非線性頻域穩(wěn)態(tài)仿真。線性電路組件僅在頻域中進(jìn)行建模，非線性組件在時域中建模，并且在每一步都轉(zhuǎn)換到頻域。運(yùn)算法則一般將這種處理的諧波數(shù)量限制在7~11次。達(dá)到11次的內(nèi)存要求是4~8GB，還不包括器件仿真所需的內(nèi)存?？梢允褂眯枰^少內(nèi)存的迭代解決方案。由于資源有限，這些內(nèi)容要求導(dǎo)致了諧波次數(shù)限制，多級放大器的分析目前不能采納這種方法。掃描可能需要幾個小時，而實際器件所需的時間可能會更長。第三種方法是Loechelt于2000年討論的，這種方法是計算負(fù)載拉升(CLP)。在該方法中，大信號瞬態(tài)的仿真(或測量)可用于描述本征器件，并用工具將全部集中在一起，進(jìn)行電路評估。這種方法有幾個優(yōu)點，一旦構(gòu)成用于描述本征器件的數(shù)據(jù)集，它就可以用在多個電路仿真中。當(dāng)然，這種方法也有缺點，由于RF工作臺構(gòu)建在CLP工具內(nèi)部，因此只能用于那些在這種工具中執(zhí)行的設(shè)計。到目前為止，這些方法的問題是速度、RF工作臺的功能、性能和設(shè)置時間，如表1所述。

表1：TCAD數(shù)據(jù)的大信號仿真四種方法比較。

第四種方法是從TCAD仿真數(shù)據(jù)中提取緊湊模型。該方法的主要優(yōu)勢在于基于仿真的模型采納相同的程序、提取方法，并能采納與基于測量的模型相同的設(shè)計。這就允許使用已經(jīng)開發(fā)出來的特別強(qiáng)大的RF電路仿真功能和原來的RF設(shè)計。缺點是運(yùn)行TCAD需要時間，提取模型需要時間，以及采納的緊湊模型有肯定限制。這是一種重要限制，由于TCAD仿真可能包含的物理特性不能反映在緊湊模型中。這種缺陷有兩種補(bǔ)救措施，一種是創(chuàng)建具有更佳物理特性的用戶定義的模型版本，另一種是采納基于表格的模型。為了讓這種方法具有有用性，必需創(chuàng)建自動提取，實現(xiàn)大量器件模型的快速提取。

由于我們從圖1中知道了最佳性能消失在不確定的源和負(fù)載匹配中，因此必需在整個源和負(fù)載層面進(jìn)行仿真，以搜尋到最高性能點。假設(shè)有60個源狀態(tài)和60個負(fù)載狀態(tài)必需交替搜尋，就有可能要完成300次左右的功率掃描才能確定最高性能點。大信號TCAD仿真示例TCAD仿真適用于使用Synopsys工具的器件。模型的提取采納從那些已仿真的數(shù)據(jù)中自動提取的方法，并對圖2中顯示的正向、反向Gummel、I/Vs和CV特征進(jìn)行比較。

圖2：正向、反向Gummel、I/V和CV特征的比較，其中TCAD數(shù)據(jù)為藍(lán)色，模型數(shù)據(jù)為紅色。

TCAD數(shù)據(jù)顯示為藍(lán)色，模型數(shù)據(jù)顯示為紅色。兩者相符顯示該模型精確?????地反映了原始的TCAD數(shù)據(jù)。圖3顯示的是S特征參數(shù)的比較。良好的匹配再次表明該模型精確?????地反映了TCAD數(shù)據(jù)。

圖3：S-參數(shù)特征的比較，其中TCAD數(shù)據(jù)為藍(lán)色，模型數(shù)據(jù)為紅色。

該模型在類似于圖1所示的電路中使用。采納反復(fù)掃描源和負(fù)載平面的算法，選擇出最佳性能的源和負(fù)載匹配。圖4中比較了由此產(chǎn)生的類似設(shè)計器件測量出的數(shù)據(jù)之間的負(fù)載平面效率，黑線為參考測量數(shù)據(jù)，紅線是采納該模型的仿真數(shù)據(jù)。

圖4：效率等高線。

最大效率點的功率掃描與一個類似設(shè)計測試器件的測量數(shù)據(jù)的比較如圖5所示。

圖5：最高效率功率掃描圖。

該功率掃描圖顯示了