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(guān)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。
在這篇文章中,我們提出一個復合的電磁和電路分析方法實現(xiàn)MMIC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(jié)構(gòu)以及寄生、耦合和輻射等效應。提出的方法已實現(xiàn)在商用EDA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(jié)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(nèi)的各頻率點;如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;如果電路中的器件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(nèi)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(guān)。當電路是電小尺寸的、幾何結(jié)構(gòu)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平面電磁模擬器Momentum。Momentum包含了兩種仿真技術(shù):準靜態(tài)電磁仿真(Momentum RF)和全波矩量仿真(Momentum MW)。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?/p>
3 兩個應用實例
(1)Ka波段功率MMIC
這是一個MESFET單級放大器,其設計頻段是34.5~35.5GHz,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。電路的實測結(jié)果顯示了32~33GHz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。
圖1 Ka-band MMIC:輸出功率對頻率
圖2 Ka-band MMIC:輸出駐波比對頻率
圖3 Ka-band MMIC:電路版圖(不含器件和鍵合)
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
電磁仿真采用全波矩量法,感興趣的頻段是32~37GHz,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P4 1.7GHz微機上花了大約1小時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)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。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。
(2)2~7GHz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2~7GHz,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1250um×0.5umHFET器件,后級采用2個相同的器件。有耗匹配技術(shù)用來展寬頻帶。電路的優(yōu)化結(jié)果是很好的,示于圖5和6(實線)。但實測結(jié)果展示了±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(Momentum RF),考慮1~8GHz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多個電流變量。全部過程在P4 1.7GHz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(jié)果顯示在圖5和6(虛線)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。
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:不包含HFET器件和外鍵合引線的電路版圖
圖8 寬帶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
4 小結(jié)
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題。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(shù)可直接推廣到Si RFIC的設計過程。
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