移动通信用GaAs微波单片集成电路的CAD技术研究

Xu Shihui，Chen Xuejun，LiHui，Cen Yuanfei，Song Jun，Chen Xiaojian
Abstract　A GaAs MMIC CAD System for Mobile Communication which includeMMICs device modelling system and CAD tools package is introduced in this paper．ServeralMMICs have been designed using this CAD system with good results．
　　Keywords　Modelling system　CAD　MMIC

1　引　言
　　移动通信是目前国际上迅速发展的新兴产业，随着移动通信手机的不断改进，对降低功耗、减轻重量、减少体积、降低工作电压、提高工作频率等提出越来越多的要求，因此电路的设计与工艺研制都日益复杂化，如何进一步提高电路性能，降低成本，缩短电路研制周期，已成为GaAs MMIC研制的一个焦点。而CAD技术是其设计的关键。目前，随着技术竞争的飞速发展，设计技术也正不断改进，为了适应当代市场的挑战，国内外越来越多的公司也把
目标转向仿真软件和其他电子设计自动化（EDA）工具，以期缩短设计周期并在降低成本的同时提高产品的性能。在设计方法上，已将传统的"设计－制造－测试－再设计"的方式改变为"模型－设计－模拟－验证"方式，如图1所示。

　　这种现代设计的基础为电子设计自动化软件和建模工具。我们针对移动通信产品开发及生产过程开展CAD开发，初步建立一个集成式的微波设计系统MMICCAD。该系统包括较为准确的单片电路器件模型系统和先进CAD软件包，是与3英寸GaAs工艺线紧密结合的CAD系统，基本上可以满足国内GaAs MMIC的设计需要。该系统方框图如图2所示。
2　3英寸GaAs MMIC标准工艺线模型化参数提取系统　　
　　精确的器件模型是提高产品性能的关键，是电路模拟的基础，可精确预测射频和微波电路行为，如增益压缩和谐波畸变，数字电路如门延迟和漏电流。有了精确的器件模型，在实际制造电路之前，电路就准确地设计和优化出，使设计一次成功，这意味着开发费用更少，投放市场更快。而且可以把精确的器件模型进行Monte Carlo分析以确定制造中变量的灵敏度，针对灵敏元件进行设计，可提高成品率，减少平均产品价格，因此，在开发CAD工具时，模型化工作就显得十分重要。作为一条GaAsMMIC研制开发线，由于其设备、工艺条件都有其各自的特点，对高频电路产品的设计与制造来说，开发过程各有不同，而且十分复杂，因此至关重要的是自己的软件工具能集成并补充现有的手段，开发自身基于客观条件的技术和工具，与自己产品的开发全过程相适应。因此，开发标准工艺线的CAD工具特别是标准工艺线的模型系统是当前面临的一项紧迫任务。
2．1　建模的方法
　　模型即器件的数学表征，建模就是根据器件的物理结构、工作机理和不同的工作状态，采用相应的电磁场分析方法或参数测试提取分析方法建立其数学表示式。器件模型通常可以分为物理分析模型和工程应用模型。
　　模型化参数提取系统是测量提取建模的主要工具，它通过将测试仪器与模型提取软件相结合，实现对器件的精密参数提取和模型化，并将所提取的模型直接为电路和系统仿真器所用。模型表征软件可实现测试仪的控制，被测数据作图，常用模型方程编写，器件性能仿真以及使测量数据与模型化数据吻合的参数数值优化等多种功能。我们在模型表征软件ICCAP的基础上开发所需要的提取子程序，产生新的测试数据，分析结果，性能模拟和优化算法，构造与我所标准MMIC工艺线相适应的模型。
2．2　模型系统的建立

2．2．1　测试系统的建立
　　为建立模型参数提取系统，除了模型提取软件外，还要有精确的直流和微波测试设备。包括单偏或多偏I－V测试，S参数测试，脉冲I－V测试，脉冲S参数测试，噪声测试，不同温度环境测试等等。提取非线性模型基于精确的DC和S参数，因此测试系统主要由网络分析仪、微波探针和直流参数测试仪组成。
2．2．2　标准器件的版图设计
　　通过参数测试提取的方法建立模型，需专门设计建模用标准器件的版图。选定需建模的有源器件，将其设计成适用于微波探针测试的结构，器件的参考面必须与校准图形的参考面一致。为了适应标准工艺中不同MMIC产品对MESFET尺寸的不同要求，应建立一精确的器件"缩放"（Scaling）的等效模型参数。
2．3　模型的提取
　　根据所测器件选取适用的非线性模型，设置相应的直流工作点和测试频率，通过一系列的人机对话，完成从参数测试、曲线拟合及模型提取和优化等一系列过程，最终给出与被测　　器件基本拟合的非线性模型。
3　移动通信用GaAs MMIC集成电路CAD软件MMICCAD　　
　　MMICCAD软件是一个集成式的微波设计系统，它由交互式设计工具、线性非线性模拟器、工艺版图产生器及标准工艺线器件电路模型库几部分组成。
3．1　交互式设计捕捉工具
　　采用鼠标弹拉式菜单工作方式和直观窗口菜单显示，直观电路图显示方式，用于运行软件各模块调用、控制命令、输入电路和系统原理图，分析与优化控制等。
3．2　系统及其子系统的分析与优化
　　可对线性及非线性多通路及多端口系统及元件进行频率及功率的分析及优化。可计算系统增益、增益压缩、三阶交调、1dB压缩点、输出功率、反射功率、驻波、噪声等。
3．3　GaAs MMIC电路的分析与优化
　　可对MMIC电路进行直流分析，S参量分析，谐波平衡分析。对线性电路分析优化可计算S，Z，Y和H参数、电路阻抗和导纳、反射系数和驻波、增益和损耗、噪声等。对非线性电路分析优化可计算与频率相关的电压、电流和功率、功率谱、功率波形、三阶交调、功率附加效益等。
3．4　成品率分析
　　计算元件公差对电路特性的影响，通过改变元件的中心值使所生产的电路达到最高的成品率。
3．5　版图设计
　　进行MMIC版图制作，自动或交互地将微波电路的电原理图转换成工艺版图，并进行设计规则检查。
3．6　标准工艺线器件电路库
　　包含GaAs MMIC标准工艺线微波无源及有源器件的模型及模型数据库。

4　应用实例
4．1　建模实例　　
  工程模型由无源器件模型和有源器件模型组成。无源器件模型包括MIM电容、螺旋电感、金属薄膜电阻、体电阻、空气桥、背孔以及各种微带线模型等，由于较为简单，通常可以由三维电磁场仿真软件计算或直接实测得到其模型参数；有源器件模型包括MESFET、HEMT、HBT，需分别建立小信号线性模型、大信号非线性模型及开关控制模型等。以GaAsMESFET为例。
　　GaAs MESFET的非线性模型有多种，分别具有不同的特点和适用范围，这里我们采用的是改进的Curtice立方模型。
　　被测器件总栅宽为750μm，采用叉指结构，栅指个数为10根。该器件典型直流参数为：
I_dss＝230mA／mm，G_m＝150mS／mm，V_p＝－2．0V，V_k＝1．2V。我们选取的微波测试频率范围是0．1GHz～20GHz，直流偏置点为V_ds＝3V，V_gs＝－1．2V。
　　对提出的模型进行直流和微波参数模拟，通过优化程序使模拟结果和测试结果达到最佳拟合。
　　图3～图9分别给出了器件DC和RF测试结果与模型拟合结果的比较，其中包括I－V特性、夹断特性、栅势垒特性和全频段S参数。可见DC和RF仿真结果与实测的结果一致。

　　模型参数提取系统可以对工艺制作的器件进行精确测量，所提取的非线性模型的DC和RF模拟结果与器件实测结果达到很好的拟合，可以直接用于MMICCAD系统进行单片电路的设计，用户还可以在现有的模型及开发工具基础上，开发与具体工艺线相结合的、更加实用的模型。因此，这套模型参数提取系统对基于标准工艺线的微波单片集成电路的设计制作具有很高的价值，可以大大提高设计的成功率，是不可缺少的工具。　　　
4．2　移动通信用单片电路设计实例
　　电子五十五所运用MMICCAD软件包和模型库系统进行了多个移动通信MMIC单片电路设计，取得了较好的成绩。以900MHz功率放大器为例，采用两级放大器，模拟优化结果如图10所示。
　　该项目于1998年完成设计定型。主要参数：输出功率达30dBm，功率附加效益达55％，与TriQuint公司产品相当，且工作电压更低，为3．6V。

5　结束语
　　以上介绍的微波集成系统，是国内首次与3英寸GaAs工艺线紧密结合的微波CAD系统，其所有模型来自标准工艺线，因而是一个实用的工程化软件，可解决3英寸GaAs工艺线对移动通信产品的精确设计问题。应用该系统设计了多个MMIC单片电路，在3英寸工艺线制造和测试分析，证明了该系统精度较高，提高了设计一次成功率，节约了宝贵的时间，也使开发成本大大降低。
　　徐世晖　1985年于南京大学物理系获学士学位，1988年于南京电子器件研究所获硕士学位，现为南京电子器件研究所高级工程师，主要从事微波电路CAD理论及软件开发工作。
　　陈雪军　1971年出生，1992年于东南大学电子工程系获学士学位，1996年于南京电子器件研究所获硕士学位，主要从事微波单片集成电路设计、砷化镓器件模型提取等研究工作。　　李　辉　1970年出生，1992年毕业于中国科学技术大学微波技术专业，现为南京电子器件研究所工程师，主要从事微波电路组件、微波单片集成电路及微波电路CAD研究。