四種射頻器件設(shè)計(jì)的TCAD仿真方法分析比較
計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)(TCAD)應(yīng)用到設(shè)計(jì)領(lǐng)域最通常的目的就是預(yù)測(cè)，仿真能使工程師了解設(shè)計(jì)。在某些情況下，仿真可用來(lái)處理一些不能在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的東西，仿真正越來(lái)越多地用于提高制造良率。當(dāng)預(yù)測(cè)可靠時(shí)，預(yù)測(cè)在技術(shù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中就具有很大優(yōu)勢(shì)。盡管預(yù)測(cè)的趨勢(shì)和數(shù)量有時(shí)會(huì)與測(cè)量的實(shí)際數(shù)據(jù)有些出入，但在絕大多數(shù)情況下，TCAD還是能依據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)提供最準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)。
射頻(RF)領(lǐng)域的問(wèn)題可以分為小信號(hào)和大信號(hào)兩大類。基于TCAD的小信號(hào)的預(yù)測(cè)時(shí)常很困難，這是因?yàn)閷⑵骷匦詮?fù)制到仿真器中會(huì)非常復(fù)雜。在大信號(hào)預(yù)測(cè)中，則可能會(huì)因?yàn)椴僮飨拗坪推骷牟焕硐攵鴮?dǎo)致失真。在那些我們能夠準(zhǔn)確仿真小信號(hào)解決方案的實(shí)例中，也同樣可能可以仿真大信號(hào)解決方案。
TCAD原理
讓我們看看圖1顯示的一個(gè)實(shí)際問(wèn)題，無(wú)論小信號(hào)和大信號(hào)放大器都會(huì)出現(xiàn)此類問(wèn)題。在小信號(hào)情況下，放大器通常為A類放大器，我們假設(shè)是共軛匹配(conjugate match)，設(shè)計(jì)是公式化的。在大信號(hào)情況中，放大器可以是AB類甚或B類，這種情況下的最佳性能選用的匹配通常不是共軛匹配。這種大信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)通常是在測(cè)試實(shí)驗(yàn)室中，通過(guò)對(duì)輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)、輸入偏置和諧波終端(harmonic termination)的最優(yōu)化實(shí)現(xiàn)的。如果同時(shí)考慮這些參數(shù)和本征器件(intrinsic device)設(shè)計(jì)參數(shù)的話，就會(huì)得出較大的研究空間。對(duì)于經(jīng)常采用不同技術(shù)的多級(jí)放大器就有可能導(dǎo)致這種參數(shù)的劇增。
為了了解不同器件設(shè)計(jì)的性能，我們不應(yīng)該在相同的匹配、諧波終端和偏置上對(duì)所有器件設(shè)計(jì)進(jìn)行比較，而是必須與那些產(chǎn)生器件設(shè)計(jì)的最佳性能的值進(jìn)行比較。通過(guò)比較放大器中每一種器件的最優(yōu)性能條件，就可以做出最佳性能器件設(shè)計(jì)的選擇。
圖1：RF放大器電路。
這就為所考慮的電路和器件的全部大信號(hào)仿真提出了一個(gè)清楚的案例。如果工程師希望評(píng)估當(dāng)時(shí)還沒(méi)有已測(cè)量數(shù)據(jù)的新器件，就必須采用TCAD解決方案。TCAD數(shù)據(jù)的大信號(hào)仿真通過(guò)四種方法完成：
1. 在TCAD中采用混合模式的瞬態(tài)仿真；
2. 在TCAD工具中直接采用集成的諧波平衡(Harmonic Balance)進(jìn)行大信號(hào)仿真；
3. 特殊工具將復(fù)合仿真結(jié)果和電路設(shè)計(jì)整合；
4. 從TCAD數(shù)據(jù)提取大信號(hào)緊湊模型，并使用這些模型來(lái)理解大信號(hào)特征參數(shù)。
研究采用最基本方法，即混合模式進(jìn)行仿真的可能性非常重要。在混合模式中，瞬態(tài)電路仿真直接在TCAD軟件中完成。在通常情況下，電路設(shè)計(jì)師并不采用瞬態(tài)仿真而是采用諧波平衡來(lái)解決這些大信號(hào)仿真問(wèn)題。面臨的挑戰(zhàn)主要是在工作臺(tái)(workbench)內(nèi)準(zhǔn)確描述RF電路，然后采用簡(jiǎn)單的單(或雙)頻率載波(CW)輸入功率掃描，執(zhí)行TCAD仿真。瞬態(tài)仿真必須在穩(wěn)定狀態(tài)下執(zhí)行，可能需要幾個(gè)周期的時(shí)間。在器件處于壓縮時(shí)，這種仿真可能會(huì)面臨更多數(shù)值上的挑戰(zhàn)。所仿真的時(shí)間序列必須足夠長(zhǎng)，才能描述所需的最低頻率。對(duì)于雙音或多音(tone)問(wèn)題，可能需要很長(zhǎng)時(shí)間的瞬態(tài)仿真。因此，運(yùn)行功率掃描可能非常耗時(shí)。此外，混合模式工作臺(tái)的設(shè)計(jì)大多非常糟糕，因?yàn)樗鄙傧駨?fù)抗阻這樣的關(guān)鍵項(xiàng)。對(duì)于實(shí)際電路而言，這種方法的主要問(wèn)題是速度和收斂。
第二種方法是在TCAD仿真工具中實(shí)現(xiàn)諧波平衡。諧波平衡方法更正確的稱呼是KCL-HB或基爾霍夫電流定律諧波平衡，用于安捷倫公司的先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(ADS)、Cadence的Spectre-RF，以及在RF和模擬設(shè)計(jì)中常用的其它電路仿真器。諧波平衡是一種非線性的頻域技術(shù)，用于確定具有較寬頻率變化內(nèi)容的系統(tǒng)的準(zhǔn)周期穩(wěn)態(tài)解決方案。這種方法采用下列等式：
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該等式描述了線性和非線性電路電流之間的關(guān)系，括號(hào)中的參數(shù)是線性部分，其余的是非線性部分的。Is是電源電流，Y是線性電路導(dǎo)納矩陣(admittance matrix)，V是內(nèi)部節(jié)點(diǎn)電壓矢量，Ω是對(duì)角線上的角頻率矩陣，Q是頻域中的電荷矢量，IG是頻域中的非線性電路的電流。當(dāng)線性和非線性電路達(dá)到平衡時(shí)，這種解決方案就開(kāi)始收斂。
利用TCAD的實(shí)現(xiàn)方案需要大量開(kāi)發(fā)工作。盡管這一領(lǐng)域有了大量的研究和源于大學(xué)的程序可用，但市場(chǎng)上一直沒(méi)有提供可靠的工具。諧波平衡是大信號(hào)RF問(wèn)題采用的一種方法，通常在電路仿真工具中執(zhí)行。諧波平衡是一種非線性頻域穩(wěn)態(tài)仿真。
線性電路組件僅在頻域中進(jìn)行建模，非線性組件在時(shí)域中建模，并且在每一步都轉(zhuǎn)換到頻域。運(yùn)算法則一般將這種處理的諧波數(shù)量限制在7~11次。達(dá)到11次的內(nèi)存要求是4~8GB，還不包括器件仿真所需的內(nèi)存。可以使用需要較少內(nèi)存的迭代解決方案。由于資源有限，這些內(nèi)容要求導(dǎo)致了諧波次數(shù)限制，多級(jí)放大器的分析目前不能采用這種方法。掃描可能需要幾個(gè)小時(shí)，而實(shí)際器件所需的時(shí)間可能會(huì)更長(zhǎng)。
第三種方法是Loechelt于2000年研究的，這種方法是計(jì)算負(fù)載拉升(CLP)。在該方法中，大信號(hào)瞬態(tài)的仿真(或測(cè)量)可用于描述本征器件，并用工具將所有集中在一起，進(jìn)行電路評(píng)估。這種方法有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，一旦構(gòu)成用于描述本征器件的數(shù)據(jù)集，它就可以用在多個(gè)電路仿真中。當(dāng)然，這種方法也有缺點(diǎn)，由于RF工作臺(tái)構(gòu)建在CLP工具內(nèi)部，因此只能用于那些在這種工具中執(zhí)行的設(shè)計(jì)。
到目前為止，這些方法的問(wèn)題是速度、RF工作臺(tái)的功能、性能和設(shè)置時(shí)間，如表1所述。
表1：TCAD數(shù)據(jù)的大信號(hào)仿真四種方法比較。
由于我們從圖1中知道了最佳性能出現(xiàn)在不確定的源和負(fù)載匹配中，因此必須在整個(gè)源和負(fù)載層面進(jìn)行仿真，以搜索到最高性能點(diǎn)。假設(shè)有60個(gè)源狀態(tài)和60個(gè)負(fù)載狀態(tài)必須交替搜索，就有可能要完成300次左右的功率掃描才能確定最高性能點(diǎn)。
大信號(hào)TCAD仿真示例
TCAD仿真適用于使用Synopsys工具的器件。模型的提取采用從那些已仿真的數(shù)據(jù)中自動(dòng)提取的方法，并對(duì)圖2中顯示的正向、反向Gummel、I/Vs和CV特征進(jìn)行比較。
圖2：正向、反向Gummel、I/V和CV特征的比較，其中TCAD數(shù)據(jù)為藍(lán)色，模型數(shù)據(jù)為紅色。
TCAD數(shù)據(jù)顯示為藍(lán)色，模型數(shù)據(jù)顯示為紅色。兩者相符顯示該模型準(zhǔn)確地反映了原始的TCAD數(shù)據(jù)。圖3顯示的是S特征參數(shù)的比較。良好的匹配再次表明該模型準(zhǔn)確地反映了TCAD數(shù)據(jù)。
圖3：S-參數(shù)特征的比較，其中TCAD數(shù)據(jù)為藍(lán)色，模型數(shù)據(jù)為紅色。
該模型在類似于圖1所示的電路中使用。采用反復(fù)掃描源和負(fù)載平面的算法，選擇出最佳性能的源和負(fù)載匹配。圖4中比較了由此產(chǎn)生的類似設(shè)計(jì)器件測(cè)量出的數(shù)據(jù)之間的負(fù)載平面效率，黑線為參考測(cè)量數(shù)據(jù)，紅線是采用該模型的仿真數(shù)據(jù)。
圖4：效率等高線。
最大效率點(diǎn)的功率掃描與一個(gè)類似設(shè)計(jì)測(cè)試器件的測(cè)量數(shù)據(jù)的比較如圖5所示。
圖5：最高效率功率掃描圖。
該功率掃描圖顯示了效率、輸出功率和增益的出色預(yù)測(cè)。此外，比較還顯示了線性誤差矢量幅度(EVM)、鄰信道功率(ACP)和相間信道功率(ALT)的測(cè)量結(jié)果。這些測(cè)量顯示，增益和相位關(guān)系得到了很好的仿真。對(duì)于目前的無(wú)線通信器件設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，線性特征、EVM、ACP和ALT的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)非常重要。
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