MOSFET射频等效电路寄生电阻的确定方法

来源：SPICE模型

作者：若明

RF技术被广泛应用于许多多领域，如：WLAN、手机、雷达、GPS、5G/6G、蓝牙、电视、自动识别系统等。在这些应用当中RF设计工程师使用EDA软件为商业无线、航空航天/国防和汽车市场设计一系列RF产品，包括器件模型、RF芯片、RF模块、RF电路板和RF收发系统等。而这些EDA的仿真是需要基于器件模型的，一个精确的器件模型就显得尤为重要。

DC和RF不同之处在于，在低频时：器件的特征尺寸比波长小得多，没有信号延迟，KCL,KVL, 欧姆定律在DC下是适用的；而在高频时：器件的特征尺寸大于信号波长，这时麦克斯韦方程是适用的，器件具有分布效应(有信号延迟)，也会产生趋肤效应，寄生效应是必须要考虑的范畴。如图1所示，是典型的射频MOSFET器件的小信号等效电路。可以将其划分为由外部寄生引入的元件（虚线框外）和内部本征元件（虚线框内）两部分，具体包括：Cpgd, Coxg, Coxd, Rpg, Rpd为焊盘引起的寄生元件；Lg, Ld, Ls为馈线电感元件；Rg, Rd, Rs为MOSFET器件接触电阻；Cjd, Rsub为漏极和衬底直接的寄生元件；Cgs, Cds, Cgd为MOSFET器件本征电容；gm, gds(1/Rds)为本征跨导和漏导。

图1：典型的射频MOSFET器件的小信号等效电路

栅极电阻的存在对电路性能的影响很大，会引入热噪声，增大电路的噪声系数，影响晶体管的开关速度和最大振荡频率，因此在版图设计时，要考虑尽可能地减小栅极电阻。由版图设计、工艺制程及器件退化等因素导致寄生电阻的产生，对输入/输出阻抗匹配、噪声特性及振荡频率等都有很大影响。寄生电阻的提取精度会直接影响整体建模的精确性。因此，如何精确地提取寄生电阻一直是学术界研究的热点问题之一。

目前，常用寄生电阻的确定方法主要包括Cold-FET方法、正常偏置方法及截止状态方法。今天先来介绍Cold-FET方法。

Cold-FET方法是指令晶体管偏置在强反型区(如Vgs=1.2V且Vds=0V)的情况。在这样的偏置条件下，跨导gm很小，基本为零，可以忽略不计，且由于反向PN结引入的衬底寄生的阻抗要远大于源寄生电阻Rs和沟道电阻Rch，所以在此条件下，等效电路模型可简化为图2所示。

图2：强反型区的等效电路模型 根据小信号等效电路模型有：

式中：

Z22的虚部为：

即：

由此，根据-ω/lm(Z22)与ω^2关系曲线的斜率和截距即可求得 Cx与Rch。当Cx与Rch确定之后，Rs, Rg和Rd可直接通过计算得到。

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