MMIC和RFIC设计中的CAD问题讨论

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。[IMG]UploadFile/110-1.jpg[/IMG]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。[IMG]UploadFile/110-2.jpg[/IMG]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。[IMG]UploadFile/110-3.jpg[/IMG][IMG]UploadFile/110-4.jpg[/IMG] 3．2 MIM电容微波射频集成电路中的电容主要包括pn结电容、MOS电容、MIM(金属-电介质-金属)电容等。pn结电容和MOS电容属于半导体器件，这里不做讨论。MIM电容在微波集成电路中最为普遍，用于匹配、滤波、隔直流等，容值可到十几pF。MIM电容的剖面结构如图5所示。容值由上下层金属的重叠面积、介质的等效电介质常数和厚度决定，另外电容的电场分布还存在边缘效应，在电容面积较大时边缘效应可以忽略，当电容面积较小且工作频率很高时就需要考虑它的存在了。图6(a)是MIM电容的一种等效电路，这个等效电路中考虑了介质损耗和对地寄生等效应。射频微波电路中电容的面积不宜太大，否则在工作频率较高时分布效应就会非常明显，甚至呈现感性。在微波毫米波集成电路中要慎重考虑电容元件上下电极的连接、信号的传输方向和接入位置。微波电路中电容的传输效应可用图6(b)的形式等效，这种模型在低损耗的微波毫米波电路中经常采用，其中L表示电容的长度。[IMG]UploadFile/110-5.jpg[/IMG][IMG]UploadFile/110-6.jpg[/IMG] 3．3电感电感同电阻电容相比特性更为复杂。图7是一种矩形片上电感的版图结构，其等效电路模型如图8所示，模型中考虑了带线的阻性损耗、线圈间隙的容性寄生以及衬底损耗等因素[3]。在CMOS射频集成电路中，由于铝金属系统的损耗特别是Si衬底高频损耗，使得螺旋电感Q值很低，限制了工作频率的提高和电路性能的改善。提高9值一直是设计者追求的目标，这方面的工作很多，可参阅其他相关文献。GaAs的衬底损耗同Si相比要小得多，而且GaAs微波单片集成电路中的带线采用金系统，这也有利于电感e值的提高，即Au金属带线的本身电阻率很小； Au经过电镀加厚进一步减小阻性损耗； Au带线的电感线圈还可以采用空气桥结构，使大部分金属以桥面的形式悬浮于空气中，减小衬底损耗以及容性寄生。通常GaAs电路中电感元件可以用到Ku波段。[IMG]UploadFile/110-7.jpg[/IMG]4 MMIC和RFIC对EDA软件仿真 器的要求4．1用于微波射频IC设计的电路分析方法EDA软件的仿真器要满足各种电路仿真的要求。SPICE是最早的电路分析软件，发展到今天的EDA系统，SPICE功能是各种工具必须具备的基本功能。SPICE的直流分析、交流分析及瞬态分析，能进行基本的直流、交流小信号和时域仿真。交流分析中还包括小信号的噪声分析和失真分析，可以计算电路的噪声电压、噪声电流和弱的非线性电路的交调失真。有的版本，如H SPICE还能通过交流分析计算端口的S参数。SPICE中的傅里叶分析实际上是对瞬态分析的补充，它将时域分析的数据通过傅氏变换转换到频域。 射频和微波集成电路设计一般都在频域进行，因为微波元件、传输线的模型都是在频域给出的，而且高频系统的性能用频域来描述更为直接。当然通过对时域瞬态分析的数据进行傅氏变换也可以获得频域结果，但是很多时候这样做会费时费力，因为进行瞬态分析必须对稳态情况下的信号做高频采样，采样点至少遍布其低频调制信号或低频分量的一个周期。如果信号中低频分量的频率与高频载波相差悬殊，就必须考虑在一个低频周期中进行大量的高频时域数据采样的效率问题[3]。这一点在话音的无线通信中最为典型。另外，在分析放大器的IM3时，由于频差很小的频率之间的交调会产生低频分量，也会遇到同样的问题，这就需要高效的频率域分析方法。 频域分析主要有伏特拉级数法和谐波平衡法，在专业的微波电路软件中这两种技术比较常见。伏特拉级数法利用频域解析的方法求解非线性电路的响应，计算速度比较快，适于弱的非线性电路；谐波平衡法实际上是时域和频域结合的一种分析非线性电路的方法，它避免了时域法中的瞬态求解过程，具有很高的分析效率。频域分析可计算电路的非线性特性，如放大器的谐波、IIP3、IM3、混频器的频谱分布、变频增益、振荡器的非线性振荡平衡条件、谐波特性等。对于更复杂的信号如通信中的数字调制信号、脉冲调制信号等，包络分析是一种更为有用的手段r：l，这种技术是在缓变的波形包络的时域采样上对高频载波信号进行谐波平衡分析，也就是它得到的是与波形相关的一系列谐波平衡分析的频率信息，通过变换可得到信号的完全频谱，避免了冗长的时域仿真和相应的数学变换。这种方法可以分析调制信号的频谱、放大器的瞬态响应和功率放大器对调制信号的响应、锁相环路的瞬态过程、振荡器的起振过程、射频微波AGC(自动增益控制)电路的增益控制过程等。4．2电磁场分析电磁场分析在射频微波集成电路的设计中发挥着重要作用，主要体现在高频元件的仿真、建模、验证和互连线高频效应分析。在微波射频电路中电阻、电容，特别是电感元件都要考虑分布效应。虽然对特定的电感可以通过实测的方式得到参数值，但对于很多特殊情形还需设计者自己考虑以保证设计精度。对于电容元件，高频条件下不同的连接方向和位置对分布效应影响的阻抗特性是不同的。在微波版图中要考虑的问题，一是面积因素，尽量在较小的面积内达到电路性能；二是各种元件之间的相互影响。集成电路进入深亚微米阶段，互连线是严重影响电路性能的重要组成部分，不仅要考虑分布电容，还要考虑分布电感。在微波单片集成电路中，10千兆以上频段常常用微带线进行电路匹配，带线的连接、拐弯、交叉、相邻都要影响电磁场的传播。数值电磁场分析软件是微波射频集成电路必不可少的工具，这方面的工作已经很多。电磁场分析要折衷考虑精度、效率的关系。三维场分析精确度高但是效率较低，在微波射频集成电路中，基于矩量法的平面电磁场仿真能较好地保证精度并占用相对较少的计算机资源，因而在微波和射频电路设计中被广泛采用。 4．3集成的设计环境EDA工具主要进行电路仿真、优化、综合以及版图设计、参数提取和后仿真，此外还能够提供基于工艺线的设计环境，即Design Kit，减小电路设计人员对工艺了解的依赖程度。DesignKit与EDA软件的结合通常由代工厂和EDA软件商合作完成，将代工厂的元器件模型、物理设计环境集成到EDA软件中，使电路设计人员进行IC设计时能直接调用工艺线提供的元器件模型，从而将原理、版图的设计和验证在统一的环境下进行。4．4电路设计与系统设计电路的设计是根据系统的要求进行的，与系统设计密不可分。功能电路单元要从系统的角度来考察验证，尤其高度集成的单片射频系统芯片本身就是一个系统Il，。因此系统设计手段也被应用到MMIC和RFIC的设计中来，要求电路单元与系统模型能够协同仿真。由于单片系统日益提高的复杂性，研发成本不断提高，市场的需求要求尽量缩短研发时间，系统设计需要深入到芯片内部。EDA工具将系统设计和芯片设计结合起来，可以优化系统的性能，提高芯片的成品率，降低研发成本，加速产品的市场化进程。 5 结论本文叙述了微波与射频集成电路设计中采用EDA的一些情况，有许多问题还在研究和探讨之中。集成电路设计涉及到从半导体器件到电路系统每一环节，虽然工业的EDA软件能帮助我们方便地进行设计，但对于设计者而言，需要大量的理论学习和积累以适应新的技术和方法的出现和发展。