MMIC和RFIC的CAD

MMIC和RFIC的CAD王紹東， 高學(xué)邦， 劉文杰， 吳洪江
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，石家莊050051)

1 引言

隨著集成電路的發(fā)展，無(wú)線產(chǎn)品的體積越來(lái)越小，功能越來(lái)越豐富，涉及到民用和軍事應(yīng)用的各個(gè)方面。微波單片集成電路(MMIC)與射頻集成電路(RFIC)的水平在很大程度上決定著各種微波和射頻無(wú)線系統(tǒng)的技術(shù)水平。

微電子加工技術(shù)的進(jìn)步使得傳統(tǒng)器件做到了更高的工作頻率，同時(shí)MMIC和RFIC向著高度集成和多功能化的方向發(fā)展，尤其是深亞微米的CMOS技術(shù)在10GHz以下的某些領(lǐng)域己能同傳統(tǒng)的GaAs微器件一爭(zhēng)高下，而且在成本和集成度方面還更具優(yōu)勢(shì)，比如WLAN和Bluetooth的射頻部分可以完全由一到兩塊CMOS射頻芯片實(shí)現(xiàn)：在高端，GaAs器件還占據(jù)主導(dǎo)地位：工作頻率方面，GaAsMMIC已經(jīng)做到了w波段：集成度方面，Ka波段和V波段已經(jīng)有將LNA、MIXER等集成在同一GaAs襯底上的高度集成的接收前端單片電路。為實(shí)現(xiàn)在高端的更大規(guī)模集成，有人改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)GaAs工藝，建立了三維MMIC工藝。微波射頻系統(tǒng)中越來(lái)越多的以單片集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)多塊組件和模塊的功能，系統(tǒng)芯片(SOC)的概念已經(jīng)擴(kuò)展到了微波射頻集成電路領(lǐng)域"。

高頻模擬電路的分析、綜合和驗(yàn)證與數(shù)字電路相比要困難得多，而且隨頻率的升高，元器件行為和寄生效應(yīng)更加復(fù)雜。射頻和微波集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展同工藝水平的不斷提高相比相對(duì)滯后。微波射頻集成電路的復(fù)雜性對(duì)設(shè)計(jì)者提出了更高的要求和挑戰(zhàn)，CAD技術(shù)是設(shè)計(jì)者必不可少的工具。本文討論了MMIC和RFIC設(shè)計(jì)中的CAD問(wèn)題，討論了高度集成的MMIC和RFIC的CAD設(shè)計(jì)中對(duì)器件模型的要求和挑戰(zhàn)：對(duì)無(wú)源元件在射頻微波集成電路中的模型問(wèn)題作了分析；最后，著重討論了微波射頻集成電路設(shè)計(jì)對(duì)EDA仿真環(huán)境的需求，包括仿真功能及算法、數(shù)值電磁場(chǎng)分析的應(yīng)用、芯片的系統(tǒng)級(jí)仿真等。

2 器件模型和應(yīng)用

2．1器件模型的種類

器件模型不僅是電路設(shè)計(jì)者進(jìn)行電路分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和綜合的起點(diǎn)，也是用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)。為了精確進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，就需要精確的模型來(lái)描述器件特性。微波射頻的器件模型從建立方式上分有物理模型、半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、表格模型等；從?yīng)用的角度上分有小信號(hào)模型和大信號(hào)模型。

物理模型是基于半導(dǎo)體器件的物理方程進(jìn)行理論分析，主要為器件的設(shè)計(jì)服務(wù)，從設(shè)計(jì)電路的角度來(lái)看應(yīng)用不方便，而且仿真計(jì)算非常耗費(fèi)資源，另外工藝的容差使得器件的實(shí)際特性與理論值可能會(huì)產(chǎn)生較大的偏差。從測(cè)量數(shù)據(jù)中提取模型參數(shù)是射頻微波器件建模最為實(shí)用的方法，這種模型屬于半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其精度取決于測(cè)量精度和等效電路的形式及其數(shù)學(xué)描述。表格模型的產(chǎn)生是由于工藝水平的提高，器件的溝道越來(lái)越小，行為非常復(fù)雜，用傳統(tǒng)的模型描述起來(lái)困難。表格模型通過(guò)將器件的不同工作區(qū)分離，分段描述端口特性來(lái)提高模型精度可以獲得很高的精度，且不依賴于工藝，但是這種模型物理意義性不強(qiáng)，難以定標(biāo)，現(xiàn)在支持它的仿真器還不多。

2．2微波射頻集成電路設(shè)計(jì)對(duì)器件模型的挑戰(zhàn)

不管是CMOS器件，還是MESFET，PHEMT，HBT器件的建模，都有許多實(shí)踐和理論的問(wèn)題需要解決，而且隨工藝的發(fā)展，仿真設(shè)計(jì)要求的提高還會(huì)遇到許多新問(wèn)題。設(shè)計(jì)者要根據(jù)電路性能指標(biāo)的要求，定性地選擇器件及其工作點(diǎn)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、版圖設(shè)計(jì)。用CMOS工藝進(jìn)行射頻電路設(shè)計(jì)的研究主要是從20世紀(jì)90年代開始的，而傳統(tǒng)的BSIM模型主要應(yīng)用于較低頻率(幾百兆以下)的模擬和數(shù)字電路，應(yīng)用到GHz及以上頻率則要考慮更多的高頻寄生效應(yīng)。圖1是將BISM3模型加上部分主要影響高頻效應(yīng)的等效元件，從而比較好地反映在射頻條件下的阻性損耗和襯底耦合效應(yīng)。不僅如此，異質(zhì)結(jié)雙極型器件應(yīng)用到微波毫米波電路中，也必須將傳統(tǒng)的雙極器件模型加上更多的寄生。

GaAsMESFET，PHEMT和HBT都是微波集成電路的理想器件，設(shè)計(jì)者根據(jù)電路性能指標(biāo)和性價(jià)比選擇特定工藝，如功率、低噪聲、開關(guān)工藝等。不同工藝有不同的側(cè)重點(diǎn)，工藝線提供的模型也不相同，很難以通用的模型表征不同工藝的特性。例如功率電路設(shè)計(jì)需要進(jìn)行非線性仿真分析，為了用戶能精確設(shè)計(jì)必須提供非線性的大信號(hào)模型，低噪聲電路中器件工作在小信號(hào)狀態(tài)且更關(guān)心噪聲性能，因此需要小信號(hào)模型和噪聲參數(shù)。為了降低研制成本，縮短研發(fā)周期，進(jìn)行MMIC和RFIC設(shè)計(jì)時(shí)，要求器件模型既能夠反映非線性電特性又能反映低頻噪聲、熱噪聲、溝道噪聲等噪聲特性。圖2是L波段的GaAsMMIC單片收發(fā)機(jī)芯片的結(jié)構(gòu)框圖，整個(gè)芯片包括LNA，MIXER，PA，VCO等電路。VCO，MIXER是非線性電路，二者的設(shè)計(jì)最好用非線性模型，它們同時(shí)要分別設(shè)計(jì)相位噪聲和變頻噪聲特性。LNA雖然是小信號(hào)電路，但在通信系統(tǒng)中注重IIP3，ACPR等非線性特性，而這樣的指標(biāo)只有非線性分析才能給出。從這個(gè)角度來(lái)看，射頻系統(tǒng)級(jí)芯片需要更完備的器件模型以完成復(fù)雜的非線性分析和噪聲特性分析。這就為模型研究人員提出三方面的問(wèn)題：(1)如何充分描述器件的非線性特性，尤其是準(zhǔn)確描述高階非線性；(2)模型的完備性，即模型要包含更多設(shè)計(jì)人員關(guān)心的信息，如噪聲特性、非常用工作區(qū)(如擊穿區(qū))特性、溫度特性等：(3)器件模型參數(shù)的精確提取。器件模型的成熟和實(shí)用化還必須有商用的EDA仿真器的支持，EDA軟件解讀模型參數(shù)，進(jìn)行器件特性的仿真計(jì)算：另外EDA-E具還應(yīng)具有開放性，用戶能夠根據(jù)需求自建模型和對(duì)模型進(jìn)行處理和完善。

3 無(wú)源元件模型和應(yīng)用

無(wú)源元件在MMIC和RFIC中也是必不可少的重要部分，大體上可分為集總元件和分布元件。集總元件主要指電阻、電容、電感；分布元件主要指?jìng)鬏斁€，傳輸線作為半導(dǎo)體集成電路的匹配元件通常只有頻率達(dá)到X波段才采用。

3．1電阻

在集成電路中電阻主要有擴(kuò)散電阻、外延層電阻、薄膜電阻；從設(shè)計(jì)者的角度來(lái)看可分為高阻電阻和高精度電阻。高阻電阻在電路主要用于柵極和基極偏置等微電流或小電流的場(chǎng)合，對(duì)高頻信號(hào)成高阻態(tài)；高精度電阻主要用于電路匹配和自偏壓偏

在GaAs工藝中，高精度電阻主要由NiCr薄膜淀積而成，NiCr同GaAs襯底具有很好的粘附性和很好的溫度特性，阻值一般為幾十歐姆／口，典型的應(yīng)用范圍為幾歐姆到上千歐姆。薄膜電阻如圖3所示。在高頻下薄膜電阻并非只具有簡(jiǎn)單的阻性，也存在高頻的寄生效應(yīng)，尤其是阻值較大、工作頻率較高時(shí)，高頻效應(yīng)更加顯著。高頻效應(yīng)主要有頻率色散、電介質(zhì)損耗、趨膚效應(yīng)等。圖4是典型電阻的高頻等效電路模型，等效電路的參數(shù)可以通過(guò)電磁場(chǎng)分析或測(cè)量參數(shù)優(yōu)化后得到。

3．2 MIM電容

微波射頻集成電路中的電容主要包括pn結(jié)電容、MOS電容、MIM(金屬-電介質(zhì)-金屬)電容等。pn結(jié)電容和MOS電容屬于半導(dǎo)體器件，這里不做討論。MIM電容在微波集成電路中最為普遍，用于匹配、濾波、隔直流等，容值可到十幾pF。MIM電容的剖面結(jié)構(gòu)如圖5所示。容值由上下層金屬的重疊面積、介質(zhì)的等效電介質(zhì)常數(shù)和厚度決定，另外電容的電場(chǎng)分布還存在邊緣效應(yīng)，在電容面積較大時(shí)邊緣效應(yīng)可以忽略，當(dāng)電容面積較小且工作頻率很高時(shí)就需要考慮它的存在了。圖6(a)是MIM電容的一種等效電路，這個(gè)等效電路中考慮了介質(zhì)損耗和對(duì)地寄生等效應(yīng)。射頻微波電路中電容的面積不宜太大，否則在工作頻率較高時(shí)分布效應(yīng)就會(huì)非常明顯，甚至呈現(xiàn)感性。在微波毫米波集成電路中要慎重考慮電容元件上下電極的連接、信號(hào)的傳輸方向和接入位置。微波電路中電容的傳輸效應(yīng)可用圖6(b)的形式等效，這種模型在低損耗的微波毫米波電路中經(jīng)常采用，其中L表示電容的長(zhǎng)度。

3．3電感

電感同電阻電容相比特性更為復(fù)雜。圖7是一種矩形片上電感的版圖結(jié)構(gòu)，其等效電路模型如圖8所示，模型中考慮了帶線的阻性損耗、線圈間隙的容性寄生以及襯底損耗等因素[3]。在CMOS射頻集成電路中，由于鋁金屬系統(tǒng)的損耗特別是Si襯底高頻損耗，使得螺旋電感Q值很低，限制了工作頻率的提高和電路性能的改善。提高9值一直是設(shè)計(jì)者追求的目標(biāo)，這方面的工作很多，可參閱其他相關(guān)文獻(xiàn)。GaAs的襯底損耗同Si相比要小得多，而且GaAs微波單片集成電路中的帶線采用金系統(tǒng)，這也有利于電感e值的提高，即Au金屬帶線的本身電阻率很??； Au經(jīng)過(guò)電鍍加厚進(jìn)一步減小阻性損耗； Au帶線的電感線圈還可以采用空氣橋結(jié)構(gòu)，使大部分金屬以橋面的形式懸浮于空氣中，減小襯底損耗以及容性寄生。通常GaAs電路中電感元件可以用到Ku波段。

4 MMIC和RFIC對(duì)EDA軟件仿真 器的要求

4．1用于微波射頻IC設(shè)計(jì)的電路分析方法

EDA軟件的仿真器要滿足各種電路仿真的要求。SPICE是最早的電路分析軟件，發(fā)展到今天的EDA系統(tǒng)，SPICE功能是各種工具必須具備的基本功能。SPICE的直流分析、交流分析及瞬態(tài)分析，能進(jìn)行基本的直流、交流小信號(hào)和時(shí)域仿真。交流分析中還包括小信號(hào)的噪聲分析和失真分析，可以計(jì)算電路的噪聲電壓、噪聲電流和弱的非線性電路的交調(diào)失真。有的版本，如H SPICE還能通過(guò)交流分析計(jì)算端口的S參數(shù)。SPICE中的傅里葉分析實(shí)際上是對(duì)瞬態(tài)分析的補(bǔ)充，它將時(shí)域分析的數(shù)據(jù)通過(guò)傅氏變換轉(zhuǎn)換到頻域。

射頻和微波集成電路設(shè)計(jì)一般都在頻域進(jìn)行，因?yàn)槲⒉ㄔ?、傳輸線的模型都是在頻域給出的，而且高頻系統(tǒng)的性能用頻域來(lái)描述更為直接。當(dāng)然通過(guò)對(duì)時(shí)域瞬態(tài)分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅氏變換也可以獲得頻域結(jié)果，但是很多時(shí)候這樣做會(huì)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因?yàn)檫M(jìn)行瞬態(tài)分析必須對(duì)穩(wěn)態(tài)情況下的信號(hào)做高頻采樣，采樣點(diǎn)至少遍布其低頻調(diào)制信號(hào)或低頻分量的一個(gè)周期。如果信號(hào)中低頻分量的頻率與高頻載波相差懸殊，就必須考慮在一個(gè)低頻周期中進(jìn)行大量的高頻時(shí)域數(shù)據(jù)采樣的效率問(wèn)題[3]。這一點(diǎn)在話音的無(wú)線通信中最為典型。另外，在分析放大器的IM3時(shí)，由于頻差很小的頻率之間的交調(diào)會(huì)產(chǎn)生低頻分量，也會(huì)遇到同樣的問(wèn)題，這就需要高效的頻率域分析方法。

頻域分析主要有伏特拉級(jí)數(shù)法和諧波平衡法，在專業(yè)的微波電路軟件中這兩種技術(shù)比較常見。伏特拉級(jí)數(shù)法利用頻域解析的方法求解非線性電路的響應(yīng)，計(jì)算速度比較快，適于弱的非線性電路；諧波平衡法實(shí)際上是時(shí)域和頻域結(jié)合的一種分析非線性電路的方法，它避免了時(shí)域法中的瞬態(tài)求解過(guò)程，具有很高的分析效率。頻域分析可計(jì)算電路的非線性特性，如放大器的諧波、IIP3、IM3、混頻器的頻譜分布、變頻增益、振蕩器的非線性振蕩平衡條件、諧波特性等。

對(duì)于更復(fù)雜的信號(hào)如通信中的數(shù)字調(diào)制信號(hào)、脈沖調(diào)制信號(hào)等，包絡(luò)分析是一種更為有用的手段r：l，這種技術(shù)是在緩變的波形包絡(luò)的時(shí)域采樣上對(duì)高頻載波信號(hào)進(jìn)行諧波平衡分析，也就是它得到的是與波形相關(guān)的一系列諧波平衡分析的頻率信息，通過(guò)變換可得到信號(hào)的完全頻譜，避免了冗長(zhǎng)的時(shí)域仿真和相應(yīng)的數(shù)學(xué)變換。這種方法可以分析調(diào)制信號(hào)的頻譜、放大器的瞬態(tài)響應(yīng)和功率放大器對(duì)調(diào)制信號(hào)的響應(yīng)、鎖相環(huán)路的瞬態(tài)過(guò)程、振蕩器的起振過(guò)程、射頻微波AGC(自動(dòng)增益控制)電路的增益控制過(guò)程等。

4．2電磁場(chǎng)分析

電磁場(chǎng)分析在射頻微波集成電路的設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要作用，主要體現(xiàn)在高頻元件的仿真、建模、驗(yàn)證和互連線高頻效應(yīng)分析。在微波射頻電路中電阻、電容，特別是電感元件都要考慮分布效應(yīng)。雖然對(duì)特定的電感可以通過(guò)實(shí)測(cè)的方式得到參數(shù)值，但對(duì)于很多特殊情形還需設(shè)計(jì)者自己考慮以保證設(shè)計(jì)精度。對(duì)于電容元件，高頻條件下不同的連接方向和位置對(duì)分布效應(yīng)影響的阻抗特性是不同的。在微波版圖中要考慮的問(wèn)題，一是面積因素，盡量在較小的面積內(nèi)達(dá)到電路性能；二是各種元件之間的相互影響。集成電路進(jìn)入深亞微米階段，互連線是嚴(yán)重影響電路性能的重要組成部分，不僅要考慮分布電容，還要考慮分布電感。在微波單片集成電路中，10千兆以上頻段常常用微帶線進(jìn)行電路匹配，帶線的連接、拐彎、交叉、相鄰都要影響電磁場(chǎng)的傳播。數(shù)值電磁場(chǎng)分析軟件是微波射頻集成電路必不可少的工具，這方面的工作已經(jīng)很多。電磁場(chǎng)分析要折衷考慮精度、效率的關(guān)系。三維場(chǎng)分析精確度高但是效率較低，在微波射頻集成電路中，基于矩量法的平面電磁場(chǎng)仿真能較好地保證精度并占用相對(duì)較少的計(jì)算機(jī)資源，因而在微波和射頻電路設(shè)計(jì)中被廣泛采用。

4．3集成的設(shè)計(jì)環(huán)境

EDA工具主要進(jìn)行電路仿真、優(yōu)化、綜合以及版圖設(shè)計(jì)、參數(shù)提取和后仿真，此外還能夠提供基于工藝線的設(shè)計(jì)環(huán)境，即Design Kit，減小電路設(shè)計(jì)人員對(duì)工藝了解的依賴程度。DesignKit與EDA軟件的結(jié)合通常由代工廠和EDA軟件商合作完成，將代工廠的元器件模型、物理設(shè)計(jì)環(huán)境集成到EDA軟件中，使電路設(shè)計(jì)人員進(jìn)行IC設(shè)計(jì)時(shí)能直接調(diào)用工藝線提供的元器件模型，從而將原理、版圖的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證在統(tǒng)一的環(huán)境下進(jìn)行。

4．4電路設(shè)計(jì)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電路的設(shè)計(jì)是根據(jù)系統(tǒng)的要求進(jìn)行的，與系統(tǒng)設(shè)計(jì)密不可分。功能電路單元要從系統(tǒng)的角度來(lái)考察驗(yàn)證，尤其高度集成的單片射頻系統(tǒng)芯片本身就是一個(gè)系統(tǒng)Il，。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)手段也被應(yīng)用到MMIC和RFIC的設(shè)計(jì)中來(lái)，要求電路單元與系統(tǒng)模型能夠協(xié)同仿真。由于單片系統(tǒng)日益提高的復(fù)雜性，研發(fā)成本不斷提高，市場(chǎng)的需求要求盡量縮短研發(fā)時(shí)間，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要深入到芯片內(nèi)部。EDA工具將系統(tǒng)設(shè)計(jì)和芯片設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，可以優(yōu)化系統(tǒng)的性能，提高芯片的成品率，降低研發(fā)成本，加速產(chǎn)品的市場(chǎng)化進(jìn)程。

5 結(jié)論

本文敘述了微波與射頻集成電路設(shè)計(jì)中采用EDA的一些情況，有許多問(wèn)題還在研究和探討之中。集成電路設(shè)計(jì)涉及到從半導(dǎo)體器件到電路系統(tǒng)每一環(huán)節(jié)，雖然工業(yè)的EDA軟件能幫助我們方便地進(jìn)行設(shè)計(jì)，但對(duì)于設(shè)計(jì)者而言，需要大量的理論學(xué)習(xí)和積累以適應(yīng)新的技術(shù)和方法的出現(xiàn)和發(fā)展。