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版圖級的精確驗證ADS應用筆記之7摘要：這篇筆記指出了基于電磁場的版圖級仿真的重要性，提出了用于版圖級驗證的電磁場和電路的復合仿真方法。一個Ka頻段和一個寬帶功率MMIC的版圖電磁分析結果經(jīng)實驗證實。1.引言對于大多數(shù)的電子設計，比如低頻模擬或數(shù)字電路，版圖布局過程與仿真過程是分開的、相獨立的。RF和微波設計要求仿真同版圖緊密相連，版圖布局對于電路性能是關鍵的，應作為設計過程的一個集成部分。版圖布局過程通常會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，特別是對于高頻或者高密版圖。為

2、了實現(xiàn)一次設計成功，電路設計和版圖布局完成之后，進行版圖級的電磁場驗證是很重要的。IC在這篇筆記中，我們提出一個復合的電磁和電路分析方法實現(xiàn)MMDA的版圖驗證。電路仿真的長處在于其效率和靈活性，而電磁場仿真能處理任意的結構以及寄生、耦合和輻射等效應。提出的方法已實現(xiàn)在商用E軟件ADS中，兩個MMIC實例證實了版圖電磁驗證的重要性和精確性。2.方法1電磁基版圖驗證包含二個連續(xù)的步驟：全電路版圖無源部分的電磁仿真和包含電磁仿真結果的全電路分析。2用作電磁分析的無源部分不包含半導體器件以及連接輸入、輸出和偏置等的鍵合引線。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的各頻率點；如

3、果電路中的器件模型采用非線性模型而且要進行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性模型而且要進行大信號分析，則電磁分析的頻率還包括DC、頻段內各頻率點的各次諧波。電磁分析方法的選擇與分析的頻段和電路對象有關。當電路是電小尺寸的、幾何結構復雜而且沒有輻射現(xiàn)象，準靜態(tài)電磁方法是一個好的選擇，它可完成快速而準確的仿真；否則，應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)、半導體器件、必要的健合線以及信號、負載和偏置源。此階段實際上是通常的電路仿真，像S參數(shù)、諧波平衡和大信號S參數(shù)等分析，都能執(zhí)行。4本文方法實現(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：準靜態(tài)電磁仿真（MomentumRF）和全波矩量仿真（MomentumMW）。電磁、電路、版圖、顯示等所有的設計環(huán)節(jié)集成在單一的設計環(huán)境之下，相當?shù)姆奖恪? .兩個應用實例1Ka波段功率MMIC這是一個MESFET單級放大器，其設計頻段是34.535.5GHz,大信號增益大于4dB,輸出功率大于100mW。輸入和輸出匹配網(wǎng)絡采用了微帶傳輸線段、開路分支線和薄膜電容等。為了提高電路穩(wěn)定性，在輸入端設計了一個薄膜電阻與電容的組合網(wǎng)絡。優(yōu)化的大信號增益和功率特性示于圖1和圖2（實線），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、。電路的實測結果顯示了3233GHz頻段，其它指標滿足要求。圖4給出了用作電磁驗證的電路圖，在此基于電磁的全電路無源部分以一個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,步長為1GHz,考慮4次諧波，總計包含25個頻率點、每個頻率點求解2500多個電流變量。整個仿真求解，在P41.7GHz微機上花了大約1小時30分鐘。基于版圖電磁分析的電路仿真結果顯示在圖1和圖2（虛線）中。仿真結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。一個邏輯的設計改進方法是使電路優(yōu)化的頻率指標高于要求的指標，版圖設計完成后再進行電磁場分析驗證。22-

6、7GHz功率MMIC另一個電路實例是一個寬頻帶功率單片電路。其要求的頻段為27GHz,大信號增益15±0.5dB,1dB增益壓縮點的輸出功率400mW。該放大器設計為兩級，前級采用1個1250umX0.5umHFET器件，后級采用2個相同的器件。有耗匹配技術用來展寬頻帶。電路的優(yōu)化結果是很好的，示于圖5和6（實線）。但實測結果展示了土1dB的增益平坦度和在6GHz以上增益特性的明顯衰減。為了診斷這個電路問題，執(zhí)行了一個基于電磁的版圖驗證分析。在此選擇了準靜態(tài)電磁仿真(MomentumRF),考慮18GHz頻段、1GHz步長間隔、4次諧波，總計是22個頻率點、每頻率點求解6000多個電

7、流變量。全部過程在P41.7GHz微機上花了大約2小時10分鐘。不包含HFET器件和外鍵合引線的電路版圖如圖7示意，用作全電路驗證的電路圖如圖8所示。這個基于電磁的仿真結果顯示在圖5和6(,線)中，顯示出電路的特性不能滿足指標要求。仔細的分析研究正在進行，偏置電路、有耗電阻以及電容的布局可能有問題。4 .小結本文提出了MMIC的版圖級電磁分析方法并應用到兩個實際的電路問%。該方法可用作為設計驗證或者故障診斷，以提高設計成功率。這個電磁驗證技術可直接推廣到SiRFIC的設計過程。ne輸出功率對頻率13EU J4E10Effl口 .hmrer昌。0.-笈山 EOD00CLfre.圖2 . Ka-b

8、and . MMIC:.輸出駐波比對頻.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 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 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:輸出功率對頻率圖6.寬帶MMIC:輸入駐波比對頻率圖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小一個心修I祥口UURE如隹4>口詢S11PSNP1nnLHbuleim>WIRE)Wllt1口25口lltwl但IITlRbO-1flIv-Qf，“2>.u中IAJIRE、叩ns：1D-至nimJ