讨论MMIC和RFIC设计中的CAD问题

1 引言

随着集成电路的发展，无线产品的体积越来越小，功能越来越丰富，涉及到民用和军事应用的各个方面。微波单片集成电路（MMIC）与射频集成电路（RFIC）的水平在很大程度上决定着各种微波和射频无线系统的技术水平。

微电子加工技术的进步使得传统器件做到了更高的工作频率，同时MMIC和RFIC向着高度集成和多功能化的方向发展，尤其是深亚微米的CMOS技术在10GHz以下的某些领域己能同传统的GaAs微器件一争高下，而且在成本和集成度方面还更具优势，比如WLAN和Bluetooth的射频部分可以完全由一到两块CMOS射频芯片实现：在高端，GaAs器件还占据主导地位：工作频率方面，GaAsMMIC已经做到了w波段：集成度方面，Ka波段和V波段已经有将LNA、MIXER等集成在同一GaAs衬底上的高度集成的接收前端单片电路。为实现在高端的更大规模集成，有人改进标准GaAs工艺，建立了三维MMIC工艺。微波射频系统中越来越多的以单片集成电路来实现多块组件和模块的功能，系统芯片（SOC）的概念已经扩展到了微波射频集成电路领域。

高频模拟电路的分析、综合和验证与数字电路相比要困难得多，而且随频率的升高，元器件行为和寄生效应更加复杂。射频和微波集成电路设计技术的发展同工艺水平的不断提高相比相对滞后。微波射频集成电路的复杂性对设计者提出了更高的要求和挑战，CAD技术是设计者必不可少的工具。本文讨论了MMIC和RFIC设计中的CAD问题，讨论了高度集成的MMIC和RFIC的CAD设计中对器件模型的要求和挑战：对无源元件在射频微波集成电路中的模型问题作了分析；最后，着重讨论了微波射频集成电路设计对EDA仿真环境的需求，包括仿真功能及算法、数值电磁场分析的应用、芯片的系统级仿真等。

2 器件模型和应用

2．1器件模型的种类

器件模型不仅是电路设计者进行电路分析、结构设计和综合的起点，也是用计算机进行分析的基础。为了精确进行电路设计，就需要精确的模型来描述器件特性。微波射频的器件模型从建立方式上分有物理模型、半经验模型、表格模型等；从应用的角度上分有小信号模型和大信号模型。

物理模型是基于半导体器件的物理方程进行理论分析，主要为器件的设计服务，从设计电路的角度来看应用不方便，而且仿真计算非常耗费资源，另外工艺的容差使得器件的实际特性与理论值可能会产生较大的偏差。从测量数据中提取模型参数是射频微波器件建模最为实用的方法，这种模型属于半经验模型，其精度取决于测量精度和等效电路的形式及其数学描述。表格模型的产生是由于工艺水平的提高，器件的沟道越来越小，行为非常复杂，用传统的模型描述起来困难。表格模型通过将器件的不同工作区分离，分段描述端口特性来提高模型精度可以获得很高的精度，且不依赖于工艺，但是这种模型物理意义

性不强，难以定标，现在支持它的仿真器还不多。

2．2微波射频集成电路设计对器件模型的挑战

不管是CMOS器件，还是MESFET，PHEMT，HBT器件的建模，都有许多实践和理论的问题需要解决，而且随工艺的发展，仿真设计要求的提高还会遇到许多新问题。设计者要根据电路性能指标的要求，定性地选择器件及其工作点，进行结构设计、版图设计。用CMOS工艺进行射频电路设计的研究主要是从20世纪90年代开始的，而传统的BSIM模型主要应用于较低频率（几百兆以下）的模拟和数字电路，应用到GHz及以上频率则要考虑更多的高频寄生效应。图1是将BISM3模型加上部分主要影响高频效应的等效元件，从而比较好地反映在射频条件下的阻性损耗和衬底耦合效应。不仅如此，异质结双极型器件应用到微波毫米波电路中，也必须将传统的双极器件模型加上更多的寄生。

GaAsMESFET，PHEMT和HBT都是微波集成电路的理想器件，设计者根据电路性能指标和性价比选择特定工艺，如功率、低噪声、开关工艺等。不同工艺有不同的侧重点，工艺线提供的模型也不相同，很难以通用的模型表征不同工艺的特性。例如功率电路设计需要进行非线性仿真分析，为了用户能精确设计必须提供非线性的大信号模型，低噪声电路中器件工作在小信号状态且更关心噪声性能，因此需要小信号模型和噪声参数。为了降低研制成本，缩短研发周期，进行MMIC和RFIC设计时，要求器件模型既能够反映非线性电特性又能反映低频噪声、热噪声、沟道噪声等噪声特性。图2是L波段的GaAsMMIC单片收发机芯片的结构框图，整个芯片包括LNA，MIXER，PA，VCO等电路。VCO，MIXER是非线性电路，二者的设计最好用非线性模型，它们同时要分别设计相位噪声和变频噪声特性。LNA虽然是小信号电路，但在通信系统中注重IIP3，ACPR等非线性特性，而这样的指标只有非线性分析才能给出。从这个角度来看，射频系统级芯片需要更完备的器件模型以完成复杂的非线性分析和噪声特性分析。这就为模型研究人员提出三方面的问题：（1）如何充分描述器件的非线性特性，尤其是准确描述高阶非线性；（2）模型的完备性，即模型要包含更多设计人员关心的信息，如噪声特性、非常用工作区（如击穿区）特性、温度特性等：（3）器件模型参数的精确提取。器件模型的成熟和实用化还必须有商用的EDA仿真器的支持，EDA软件解读模型参数，进行器件特性的仿真计算：另外EDA-E具还应具有开放性，用户能够根据需求自建模型和对模型进行处理和完善。

3 无源元件模型和应用

无源元件在MMIC和RFIC中也是必不可少的重要部分，大体上可分为集总元件和分布元件。集总元件主要指电阻、电容、电感；分布元件主要指传输线，传输线作为半导体集成电路的匹配元件通常只有频率达到X波段才采用。

3．1电阻

在集成电路中电阻主要有扩散电阻、外延层电阻、薄膜电阻；从设计者的角度来看可分为高阻电阻和高精度电阻。高阻电阻在电路主要用于栅极和基极偏置等微电流或小电流的场合，对高频信号成高阻态；高精度电阻主要用于电路匹配和自偏压偏

在GaAs工艺中，高精度电阻主要由NiCr薄膜淀积而成，NiCr同GaAs衬底具有很好的粘附性和很好的温度特性，阻值一般为几十欧姆／口，典型的应用范围为几欧姆到上千欧姆。薄膜电阻如图3所示。在高频下薄膜电阻并非只具有简单的阻性，也存在高频的寄生效应，尤其是阻值较大、工作频率较高时，高频效应更加显著。高频效应主要有频率色散、电介质损耗、趋肤效应等。图4是典型电阻的高频等效电路模型，等效电路的参数可以通过电磁场分析或测量参数优化后得到。

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