用Momentum和ADS完成微波IC的精确仿真

用ADS和Momentum完成微波/RF IC版图级的精确验证
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。

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MMIC 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EDA 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; 如果电路中的器件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平面电磁模拟器Momentum。

Momentum包含了两种仿真技术：准静态电磁仿真（Momentum RF）和全波矩量仿真（Momentum MW）。

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
[1]Ka波段功率MMIC
这是一个MESFET单级放大器，其设计频段是34.5~35.5GHz, 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。

电路的实测结果显示了32~33GHz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32~37GHz, 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P4 1.7GHz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。

[2]2-7GHz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2~7GHz, 大信号增益>15±0.5 dB, 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1250um×0.5um HFET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±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(Momentum RF), 考虑1~8GHz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多个电流变量。

全部过程在P4 1.7GHz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（虚线）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题。

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Si RFIC的设计过程。

图1 Ka-band MMIC: 输出功率对频率图2 Ka-band MMIC: 输出驻波比对频率
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
图3. Ka-band MMIC: 电路版图(不含器件和键合)
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)
图8宽带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
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