用Momentum和ADS完成微波IC的精确仿真

1、用Momentu嘛口ADS完成彳散波IC的精确仿真用ADS和Momentum完成微波/RFIC版图级的精确验证ADS应用笔记之7摘要：这篇笔记指出了基于电磁场的版图级仿真的重要性，提出了用于版图级验证的电磁场和电路的复合仿真方法。一个Ka频段和一个宽带功率MMIC的版图电磁分析结果经实验证实。1.引言对于大多数的电子设计，比如低频模拟或数字电路，版图布局过程与仿真过程是分开的、相独立的。RF和微波设计要求仿真同版图紧密相连，版图布局对于电路性能是关键的，应作为设计过程的一个集成部分。版图布局过程通常会引入像寄生或者耦合这些不希望的因素，从而使电路特性漂移或者退化，特别是对于高频或者高密版图。为

2、了实现一次设计成功，电路设计和版图布局完成之后，进行版图级的电磁场验证是很重要的。IC在这篇笔记中，我们提出一个复合的电磁和电路分析方法实现MMDA的版图验证。电路仿真的长处在于其效率和灵活性，而电磁场仿真能处理任意的结构以及寄生、耦合和辐射等效应。提出的方法已实现在商用E软件ADS中，两个MMIC实例证实了版图电磁验证的重要性和精确性。2.方法1电磁基版图验证包含二个连续的步骤：全电路版图无源部分的电磁仿真和包含电磁仿真结果的全电路分析。2用作电磁分析的无源部分不包含半导体器件以及连接输入、输出和偏置等的键合引线。如果电路中的器件模型采用S参数文件，则电磁分析的频率仅包含频段内的各频率点；如

3、果电路中的器件模型采用非线性模型而且要进行S参数分析，则电磁分析的频率还包括DC;如果电路中的器模型采用非线性模型而且要进行大信号分析，则电磁分析的频率还包括DC、频段内各频率点的各次谐波。电磁分析方法的选择与分析的频段和电路对象有关。当电路是电小尺寸的、几何结构复杂而且没有辐射现象，准静态电磁方法是一个好的选择，它可完成快速而准确的仿真；否则，应该考虑全波电磁仿真，比如矩量法。3全电路仿真包含了多端口电磁仿真数据、半导体器件、必要的健合线以及信号、负载和偏置源。此阶段实际上是通常的电路仿真，像S参数、谐波平衡和大信号S参数等分析，都能执行。4本文方法实现在ADS中。电磁仿真利用了其2.5D平

4、面电磁模拟器Momentum。Momentum包含了两种仿真技术：准静态电磁仿真（MomentumRF）和全波矩量仿真（MomentumMW）。电磁、电路、版图、显示等所有的设计环节集成在单一的设计环境之下，相当的方便。3 .两个应用实例1Ka波段功率MMIC这是一个MESFET单级放大器，其设计频段是34.535.5GHz,大信号增益大于4dB,输出功率大于100mW。输入和输出匹配网络采用了微带传输线段、开路分支线和薄膜电容等。为了提高电路稳定性，在输入端设计了一个薄膜电阻与电容的组合网络。优化的大信号增益和功率特性示于图1和图2（实线），用作电磁分析的、不包含器件和键合的电路版图示于图3

5、。电路的实测结果显示了3233GHz频段，其它指标满足要求。图4给出了用作电磁验证的电路图，在此基于电磁的全电路无源部分以一个6端口S参数元件表征。电磁仿真采用全波矩量法，感兴趣的频段是3237GHz,步长为1GHz,考虑4次谐波，总计包含25个频率点、每个频率点求解2500多个电流变量。整个仿真求解，在P41.7GHz微机上花了大约1小时30分钟。基于版图电磁分析的电路仿真结果显示在图1和图2（虚线）中。仿真结果清晰地显示出中心频率已下移至33.5GHz。频带的下移很可能是由于版图寄生效应。一个逻辑的设计改进方法是使电路优化的频率指标高于要求的指标，版图设计完成后再进行电磁场分析验证。22-

6、7GHz功率MMIC另一个电路实例是一个宽频带功率单片电路。其要求的频段为27GHz,大信号增益15±0.5dB,1dB增益压缩点的输出功率400mW。该放大器设计为两级，前级采用1个1250umX0.5umHFET器件，后级采用2个相同的器件。有耗匹配技术用来展宽频带。电路的优化结果是很好的，示于图5和6（实线）。但实测结果展示了土1dB的增益平坦度和在6GHz以上增益特性的明显衰减。为了诊断这个电路问题，执行了一个基于电磁的版图验证分析。在此选择了准静态电磁仿真(MomentumRF),考虑18GHz频段、1GHz步长间隔、4次谐波，总计是22个频率点、每频率点求解6000多个电

7、流变量。全部过程在P41.7GHz微机上花了大约2小时10分钟。不包含HFET器件和外键合引线的电路版图如图7示意，用作全电路验证的电路图如图8所示。这个基于电磁的仿真结果显示在图5和6(,线)中，显示出电路的特性不能满足指标要求。仔细的分析研究正在进行，偏置电路、有耗电阻以及电容的布局可能有问题。4 .小结本文提出了MMIC的版图级电磁分析方法并应用到两个实际的电路问%。该方法可用作为设计验证或者故障诊断，以提高设计成功率。这个电磁验证技术可直接推广到SiRFIC的设计过程。ne输出功率对频率13EU J4E10Effl口 .hmrer昌。0.-笈山 EOD00CLfre.图2 . Ka-b

8、and . MMIC:.输出驻波比对频.W/IRE则月匚WflrelWireSKa-band MMIC:-0=35 uni1 L=S5L um图4 Ka-band MMIC: 包含版图电磁分析数据的全电路大信号 S参数 仿真电路PL 1Ti>Fi4 PORTS -在加OhmP"pobr(d bmtoiufpinD)Fntq=friWIRE . 我t归工 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时 x：E - D=2i nmL=4pO 呼Temp=.<te=rionjner ,-V DC_7 snra rI油出占力 J_IAILLlr云L图5.宽带MMIC:输出功率对频率图6.宽带MMIC:输入驻波比对频率图7,宽带MMIC:电路版图（不含器件和键合）TtmlDUgm加IRIE圳IltTD-25DimL-3EDHIinRilD利IREkWirt?JD-25HmrL-hfflrelmKbOlDY.DE/0屯WLtfi2vF【Tfuntfei-mfe1IRE胤MtEAQIm>LUIinRio-1JOIFP"0小一个心修I祥口UURE如隹4>口询S11PSNP1nnLHbuleim>WIRE)Wllt1口25口lltwl但IITlRbO-1flIv-Qf，“2>.u中IAJIRE、叩ns：1D-至nimJ