【無線射頻仿真】-四種射頻器件設(shè)計(jì)的TCAD仿真方法比較分析

1/1四種射頻器件設(shè)計(jì)的TCAD仿真方法比較分析計(jì)算機(jī)幫助設(shè)計(jì)技術(shù)(TCAD)應(yīng)用到設(shè)計(jì)領(lǐng)域最通常的目的就是猜測(cè)，仿真能使工程師了解設(shè)計(jì)。在某些狀況下，仿真可用來處理一些不能在試驗(yàn)室測(cè)量的東西，仿真正越來越多地用于提高制造良率。當(dāng)猜測(cè)牢靠時(shí)，猜測(cè)在技術(shù)開發(fā)過程中就具有很大優(yōu)勢(shì)。盡管猜測(cè)的趨勢(shì)和數(shù)量有時(shí)會(huì)與測(cè)量的實(shí)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(cè)。

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(hào)仿真提出了一個(gè)清晰的案例。假如工程師盼望評(píng)估當(dāng)時(shí)還沒有已測(cè)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(hào)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(hào)仿真；3.特別工具將復(fù)合仿真結(jié)果和電路設(shè)計(jì)整合；4.從TCAD數(shù)據(jù)提取大信號(hào)緊湊模型，并使用這些模型來理解大信號(hào)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(jì)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(hào)仿真問題。面臨的挑戰(zhàn)主要是在工作臺(tái)(workbench)內(nèi)精確?????描述RF電路，然后采納簡(jiǎn)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(gè)周期的時(shí)間。在器件處于壓縮時(shí)，這種仿真可能會(huì)面臨更多數(shù)值上的挑戰(zhàn)。所仿真的時(shí)間序列必需足夠長(zhǎng)，才能描述所需的最低頻率。對(duì)于雙音或多音(tone)問題，可能需要很長(zhǎng)時(shí)間的瞬態(tài)仿真。因此，運(yùn)行功率掃描可能特別耗時(shí)。此外，混合模式工作臺(tái)的設(shè)計(jì)大多特別糟糕，由于它缺少像復(fù)抗阻這樣的關(guān)鍵項(xiàng)。對(duì)于實(shí)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(shí)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(jì)系統(tǒng)(ADS)、Cadence的Spectre-RF，以及在RF和模擬設(shè)計(jì)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(hào)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(diǎn)電壓矢量，Ω是對(duì)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(shí)，這種解決方案就開頭收斂。利用TCAD的實(shí)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(chǎng)上始終沒有供應(yīng)牢靠的工具。諧波平衡是大信號(hào)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(shí)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。可以使用需要較少內(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(jí)放大器的分析目前不能采納這種方法。掃描可能需要幾個(gè)小時(shí)，而實(shí)際器件所需的時(shí)間可能會(huì)更長(zhǎng)。第三種方法是Loechelt于2000年討論的，這種方法是計(jì)算負(fù)載拉升(CLP)。在該方法中，大信號(hào)瞬態(tài)的仿真(或測(cè)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(píng)估。這種方法有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，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(gè)電路仿真中。當(dāng)然，這種方法也有缺點(diǎn)，由于RF工作臺(tái)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(jì)。到目前為止，這些方法的問題是速度、RF工作臺(tái)的功能、性能和設(shè)置時(shí)間，如表1所述。

表1：TCAD數(shù)據(jù)的大信號(hào)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(shì)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(cè)量的模型相同的設(shè)計(jì)。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(jì)。缺點(diǎn)是運(yùn)行TCAD需要時(shí)間，提取模型需要時(shí)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(dòng)提取，實(shí)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(gè)源和負(fù)載層面進(jìn)行仿真，以搜尋到最高性能點(diǎn)。假設(shè)有60個(gè)源狀態(tài)和60個(gè)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(diǎn)。大信號(hào)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(dòng)提取的方法，并對(duì)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(jì)器件測(cè)量出的數(shù)據(jù)之間的負(fù)載平面效率，黑線為參考測(cè)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(diǎn)的功率掃描與一個(gè)類似設(shè)計(jì)測(cè)試器件的測(cè)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