討論MMIC和RFIC設(shè)計(jì)中的CAD問題

1 引言

隨著集成電路的發(fā)展，無線產(chǎn)品的體積越來越小，功能越來越豐富，涉及到民用和軍事應(yīng)用的各個(gè)方面。微波單片集成電路（MMIC）與射頻集成電路（RFIC）的水平在很大程度上決定著各種微波和射頻無線系統(tǒng)的技術(shù)水平。

微電子加工技術(shù)的進(jìn)步使得傳統(tǒng)器件做到了更高的工作頻率，同時(shí)MMIC和RFIC向著高度集成和多功能化的方向發(fā)展，尤其是深亞微米的CMOS技術(shù)在10GHz以下的某些領(lǐng)域己能同傳統(tǒng)的GaAs微器件一爭(zhēng)高下，而且在成本和集成度方面還更具優(yōu)勢(shì)，比如WLAN和Bluetooth的射頻部分可以完全由一到兩塊CMOS射頻芯片實(shí)現(xiàn)：在高端，GaAs器件還占據(jù)主導(dǎo)地位：工作頻率方面，GaAsMMIC已經(jīng)做到了w波段：集成度方面，Ka波段和V波段已經(jīng)有將LNA、MIXER等集成在同一GaAs襯底上的高度集成的接收前端單片電路。為實(shí)現(xiàn)在高端的更大規(guī)模集成，有人改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)GaAs工藝，建立了三維MMIC工藝。微波射頻系統(tǒng)中越來越多的以單片集成電路來實(shí)現(xiàn)多塊組件和模塊的功能，系統(tǒng)芯片（SOC）的概念已經(jīng)擴(kuò)展到了微波射頻集成電路領(lǐng)域。

高頻模擬電路的分析、綜合和驗(yàn)證與數(shù)字電路相比要困難得多，而且隨頻率的升高，元器件行為和寄生效應(yīng)更加復(fù)雜。射頻和微波集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展同工藝水平的不斷提高相比相對(duì)滯后。微波射頻集成電路的復(fù)雜性對(duì)設(shè)計(jì)者提出了更高的要求和挑戰(zhàn)，CAD技術(shù)是設(shè)計(jì)者必不可少的工具。本文討論了MMIC和RFIC設(shè)計(jì)中的CAD問題，討論了高度集成的MMIC和RFIC的CAD設(shè)計(jì)中對(duì)器件模型的要求和挑戰(zhàn)：對(duì)無源元件在射頻微波集成電路中的模型問題作了分析；最后，著重討論了微波射頻集成電路設(shè)計(jì)對(duì)EDA仿真環(huán)境的需求，包括仿真功能及算法、數(shù)值電磁場(chǎng)分析的應(yīng)用、芯片的系統(tǒng)級(jí)仿真等。

2 器件模型和應(yīng)用

2．1器件模型的種類

器件模型不僅是電路設(shè)計(jì)者進(jìn)行電路分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和綜合的起點(diǎn)，也是用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)。為了精確進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，就需要精確的模型來描述器件特性。微波射頻的器件模型從建立方式上分有物理模型、半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、表格模型等；從?yīng)用的角度上分有小信號(hào)模型和大信號(hào)模型。

物理模型是基于半導(dǎo)體器件的物理方程進(jìn)行理論分析，主要為器件的設(shè)計(jì)服務(wù)，從設(shè)計(jì)電路的角度來看應(yīng)用不方便，而且仿真計(jì)算非常耗費(fèi)資源，另外工藝的容差使得器件的實(shí)際特性與理論值可能會(huì)產(chǎn)生較大的偏差。從測(cè)量數(shù)據(jù)中提取模型參數(shù)是射頻微波器件建模最為實(shí)用的方法，這種模型屬于半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其精度取決于測(cè)量精度和等效電路的形式及其數(shù)學(xué)描述。表格模型的產(chǎn)生是由于工藝水平的提高，器件的溝道越來越小，行為非常復(fù)雜，用傳統(tǒng)的模型描述起來困難。表格模型通過將器件的不同工作區(qū)分離，分段描述端口特性來提高模型精度可以獲得很高的精度，且不依賴于工藝，但是這種模型物理意義

性不強(qiáng)，難以定標(biāo)，現(xiàn)在支持它的仿真器還不多。

2．2微波射頻集成電路設(shè)計(jì)對(duì)器件模型的挑戰(zhàn)

不管是CMOS器件，還是MESFET，PHEMT，HBT器件的建模，都有許多實(shí)踐和理論的問題需要解決，而且隨工藝的發(fā)展，仿真設(shè)計(jì)要求的提高還會(huì)遇到許多新問題。設(shè)計(jì)者要根據(jù)電路性能指標(biāo)的要求，定性地選擇器件及其工作點(diǎn)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、版圖設(shè)計(jì)。用CMOS工藝進(jìn)行射頻電路設(shè)計(jì)的研究主要是從20世紀(jì)90年代開始的，而傳統(tǒng)的BSIM模型主要應(yīng)用于較低頻率（幾百兆以下）的模擬和數(shù)字電路，應(yīng)用到GHz及以上頻率則要考慮更多的高頻寄生效應(yīng)。圖1是將BISM3模型加上部分主要影響高頻效應(yīng)的等效元件，從而比較好地反映在射頻條件下的阻性損耗和襯底耦合效應(yīng)。不僅如此，異質(zhì)結(jié)雙極型器件應(yīng)用到微波毫米波電路中，也必須將傳統(tǒng)的雙極器件模型加上更多的寄生。

GaAsMESFET，PHEMT和HBT都是微波集成電路的理想器件，設(shè)計(jì)者根據(jù)電路性能指標(biāo)和性價(jià)比選擇特定工藝，如功率、低噪聲、開關(guān)工藝等。不同工藝有不同的側(cè)重點(diǎn)，工藝線提供的模型也不相同，很難以通用的模型表征不同工藝的特性。例如功率電路設(shè)計(jì)需要進(jìn)行非線性仿真分析，為了用戶能精確設(shè)計(jì)必須提供非線性的大信號(hào)模型，低噪聲電路中器件工作在小信號(hào)狀態(tài)且更關(guān)心噪聲性能，因此需要小信號(hào)模型和噪聲參數(shù)。為了降低研制成本，縮短研發(fā)周期，進(jìn)行MMIC和RFIC設(shè)計(jì)時(shí)，要求器件模型既能夠反映非線性電特性又能反映低頻噪聲、熱噪聲、溝道噪聲等噪聲特性。圖2是L波段的GaAsMMIC單片收發(fā)機(jī)芯片的結(jié)構(gòu)框圖，整個(gè)芯片包括LNA，MIXER，PA，VCO等電路。VCO，MIXER是非線性電路，二者的設(shè)計(jì)最好用非線性模型，它們同時(shí)要分別設(shè)計(jì)相位噪聲和變頻噪聲特性。LNA雖然是小信號(hào)電路，但在通信系統(tǒng)中注重IIP3，ACPR等非線性特性，而這樣的指標(biāo)只有非線性分析才能給出。從這個(gè)角度來看，射頻系統(tǒng)級(jí)芯片需要更完備的器件模型以完成復(fù)雜的非線性分析和噪聲特性分析。這就為模型研究人員提出三方面的問題：（1）如何充分描述器件的非線性特性，尤其是準(zhǔn)確描述高階非線性；（2）模型的完備性，即模型要包含更多設(shè)計(jì)人員關(guān)心的信息，如噪聲特性、非常用工作區(qū)（如擊穿區(qū)）特性、溫度特性等：（3）器件模型參數(shù)的精確提取。器件模型的成熟和實(shí)用化還必須有商用的EDA仿真器的支持，EDA軟件解讀模型參數(shù)，進(jìn)行器件特性的仿真計(jì)算：另外EDA-E具還應(yīng)具有開放性，用戶能夠根據(jù)需求自建模型和對(duì)模型進(jìn)行處理和完善。

3 無源元件模型和應(yīng)用

無源元件在MMIC和RFIC中也是必不可少的重要部分，大體上可分為集總元件和分布元件。集總元件主要指電阻、電容、電感；分布元件主要指?jìng)鬏斁€，傳輸線作為半導(dǎo)體集成電路的匹配元件通常只有頻率達(dá)到X波段才采用。

3．1電阻

在集成電路中電阻主要有擴(kuò)散電阻、外延層電阻、薄膜電阻；從設(shè)計(jì)者的角度來看可分為高阻電阻和高精度電阻。高阻電阻在電路主要用于柵極和基極偏置等微電流或小電流的場(chǎng)合，對(duì)高頻信號(hào)成高阻態(tài)；高精度電阻主要用于電路匹配和自偏壓偏

在GaAs工藝中，高精度電阻主要由NiCr薄膜淀積而成，NiCr同GaAs襯底具有很好的粘附性和很好的溫度特性，阻值一般為幾十歐姆／口，典型的應(yīng)用范圍為幾歐姆到上千歐姆。薄膜電阻如圖3所示。在高頻下薄膜電阻并非只具有簡(jiǎn)單的阻性，也存在高頻的寄生效應(yīng)，尤其是阻值較大、工作頻率較高時(shí)，高頻效應(yīng)更加顯著。高頻效應(yīng)主要有頻率色散、電介質(zhì)損耗、趨膚效應(yīng)等。圖4是典型電阻的高頻等效電路模型，等效電路的參數(shù)可以通過電磁場(chǎng)分析或測(cè)量參數(shù)優(yōu)化后得到。

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