MMIC和RFIC的CAD

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

1 引言

隨著集成電路的發(fā)展，無線產(chǎn)品的體積越來越小，功能越來越豐富，涉及到民用和軍事應(yīng)用的各個方面。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線系統(tǒng)的技術(shù)水平。

微電子加工技術(shù)的進步使得傳統(tǒng)器件做到了更高的工作頻率，同時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微器件一爭高下，而且在成本和集成度方面還更具優(yōu)勢，比如WLAN和Bluetooth的射頻部分可以完全由一到兩塊CMOS射頻芯片實現(xiàn)：在高端，GaAs器件還占據(jù)主導地位：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。為實現(xiàn)在高端的更大規(guī)模集成，有人改進標準GaAs工藝，建立了三維MMIC工藝。微波射頻系統(tǒng)中越來越多的以單片集成電路來實現(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)更加復雜。射頻和微波集成電路設(shè)計技術(shù)的發(fā)展同工藝水平的不斷提高相比相對滯后。微波射頻集成電路的復雜性對設(shè)計者提出了更高的要求和挑戰(zhàn)，CAD技術(shù)是設(shè)計者必不可少的工具。本文討論了MMIC和RFIC設(shè)計中的CAD問題，討論了高度集成的MMIC和RFIC的CAD設(shè)計中對器件模型的要求和挑戰(zhàn)：對無源元件在射頻微波集成電路中的模型問題作了分析；最后，著重討論了微波射頻集成電路設(shè)計對EDA仿真環(huán)境的需求，包括仿真功能及算法、數(shù)值電磁場分析的應(yīng)用、芯片的系統(tǒng)級仿真等。

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)計者進行電路分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計和綜合的起點，也是用計算機進行分析的基礎(chǔ)。為了精確進行電路設(shè)計，就需要精確的模型來描述器件特性。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?zāi)Ｐ?、表格模型等；從?yīng)用的角度上分有小信號模型和大信號模型。

物理模型是基于半導體器件的物理方程進行理論分析，主要為器件的設(shè)計服務(wù)，從設(shè)計電路的角度來看應(yīng)用不方便，而且仿真計算非常耗費資源，另外工藝的容差使得器件的實際特性與理論值可能會產(chǎn)生較大的偏差。從測量數(shù)據(jù)中提取模型參數(shù)是射頻微波器件建模最為實用的方法，這種模型屬于半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，其精度取決于測量精度和等效電路的形式及其數(shù)學描述。表格模型的產(chǎn)生是由于工藝水平的提高，器件的溝道越來越小，行為非常復雜，用傳統(tǒng)的模型描述起來困難。表格模型通過將器件的不同工作區(qū)分離，分段描述端口特性來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，難以定標，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)計對器件模型的挑戰(zhàn)

不管是CMOS器件，還是MESFET，PHEMT，HBT器件的建模，都有許多實踐和理論的問題需要解決，而且隨工藝的發(fā)展，仿真設(shè)計要求的提高還會遇到許多新問題。設(shè)計者要根據(jù)電路性能指標的要求，定性地選擇器件及其工作點，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計、版圖設(shè)計。用CMOS工藝進行射頻電路設(shè)計的研究主要是從20世紀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)計者根據(jù)電路性能指標和性價比選擇特定工藝，如功率、低噪聲、開關(guān)工藝等。不同工藝有不同的側(cè)重點，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)計需要進行非線性仿真分析，為了用戶能精確設(shè)計必須提供非線性的大信號模型，低噪聲電路中器件工作在小信號狀態(tài)且更關(guān)心噪聲性能，因此需要小信號模型和噪聲參數(shù)。為了降低研制成本，縮短研發(fā)周期，進行MMIC和RFIC設(shè)計時，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)機芯片的結(jié)構(gòu)框圖，整個芯片包括LNA，MIXER，PA，VCO等電路。VCO，MIXER是非線性電路，二者的設(shè)計最好用非線性模型，它們同時要分別設(shè)計相位噪聲和變頻噪聲特性。LNA雖然是小信號電路，但在通信系統(tǒng)中注重IIP3，ACPR等非線性特性，而這樣的指標只有非線性分析才能給出。從這個角度來看，射頻系統(tǒng)級芯片需要更完備的器件模型以完成復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題：(1)如何充分描述器件的非線性特性，尤其是準確描述高階非線性；(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)，進行器件特性的仿真計算：另外EDA-E具還應(yīng)具有開放性，用戶能夠根據(jù)需求自建模型和對模型進行處理和完善。

3 無源元件模型和應(yīng)用

無源元件在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；分布元件主要指傳輸線，傳輸線作為半導體集成電路的匹配元件通常只有頻率達到X波段才采用。

3．1電阻

在集成電路中電阻主要有擴散電阻、外延層電阻、薄膜電阻；從設(shè)計者的角度來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合，對高頻信號成高阻態(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，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)可以通過電磁場分析或測量參數(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，另外電容的電場分布還存在邊緣效應(yīng)，在電容面積較大時邊緣效應(yīng)可以忽略，當電容面積較小且工作頻率很高時就需要考慮它的存在了。圖6(a)是MIM電容的一種等效電路，這個等效電路中考慮了介質(zhì)損耗和對地寄生等效應(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分布效應(yīng)就會非常明顯，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表示電容的長度。

3．3電感

電感同電阻電容相比特性更為復雜。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)計者追求的目標，這方面的工作很多，可參閱其他相關(guān)文獻。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小； Au經(jīng)過電鍍加厚進一步減小阻性損耗； 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EDA軟件仿真 器的要求

4．1用于微波射頻IC設(shè)計的電路分析方法

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，能進行基本的直流、交流小信號和時域仿真。交流分析中還包括小信號的噪聲分析和失真分析，可以計算電路的噪聲電壓、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還能通過交流分析計算端口的S參數(shù)。SPICE中的傅里葉分析實際上是對瞬態(tài)分析的補充，它將時域分析的數(shù)據(jù)通過傅氏變換轉(zhuǎn)換到頻域。

射頻和微波集成電路設(shè)計一般都在頻域進行，因為微波元件、傳輸線的模型都是在頻域給出的，而且高頻系統(tǒng)的性能用頻域來描述更為直接。當然通過對時域瞬態(tài)分析的數(shù)據(jù)進行傅氏變換也可以獲得頻域結(jié)果，但是很多時候這樣做會費時費力，因為進行瞬態(tài)分析必須對穩(wěn)態(tài)情況下的信號做高頻采樣，采樣點至少遍布其低頻調(diào)制信號或低頻分量的一個周期。如果信號中低頻分量的頻率與高頻載波相差懸殊，就必須考慮在一個低頻周期中進行大量的高頻時域數(shù)據(jù)采樣的效率問題[3]。這一點在話音的無線通信中最為典型。另外，在分析放大器的IM3時，由于頻差很小的頻率之間的交調(diào)會產(chǎn)生低頻分量，也會遇到同樣的問題，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。伏特拉級數(shù)法利用頻域解析的方法求解非線性電路的響應(yīng)，計算速度比較快，適于弱的非線性電路；諧波平衡法實際上是時域和頻域結(jié)合的一種分析非線性電路的方法，它避免了時域法中的瞬態(tài)求解過程，具有很高的分析效率。頻域分析可計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。

對于更復雜的信號如通信中的數(shù)字調(diào)制信號、脈沖調(diào)制信號等，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)的時域采樣上對高頻載波信號進行諧波平衡分析，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，通過變換可得到信號的完全頻譜，避免了冗長的時域仿真和相應(yīng)的數(shù)學變換。這種方法可以分析調(diào)制信號的頻譜、放大器的瞬態(tài)響應(yīng)和功率放大器對調(diào)制信號的響應(yīng)、鎖相環(huán)路的瞬態(tài)過程、振蕩器的起振過程、射頻微波AGC(自動增益控制)電路的增益控制過程等。

4．2電磁場分析

電磁場分析在射頻微波集成電路的設(shè)計中發(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)。雖然對特定的電感可以通過實測的方式得到參數(shù)值，但對于很多特殊情形還需設(shè)計者自己考慮以保證設(shè)計精度。對于電容元件，高頻條件下不同的連接方向和位置對分布效應(yīng)影響的阻抗特性是不同的。在微波版圖中要考慮的問題，一是面積因素，盡量在較小的面積內(nèi)達到電路性能；二是各種元件之間的相互影響。集成電路進入深亞微米階段，互連線是嚴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行電路匹配，帶線的連接、拐彎、交叉、相鄰都要影響電磁場的傳播。數(shù)值電磁場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。電磁場分析要折衷考慮精度、效率的關(guān)系。三維場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仿真能較好地保證精度并占用相對較少的計算機資源，因而在微波和射頻電路設(shè)計中被廣泛采用。

4．3集成的設(shè)計環(huán)境

EDA工具主要進行電路仿真、優(yōu)化、綜合以及版圖設(shè)計、參數(shù)提取和后仿真，此外還能夠提供基于工藝線的設(shè)計環(huán)境，即Design Kit，減小電路設(shè)計人員對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)計環(huán)境集成到EDA軟件中，使電路設(shè)計人員進行IC設(shè)計時能直接調(diào)用工藝線提供的元器件模型，從而將原理、版圖的設(shè)計和驗證在統(tǒng)一的環(huán)境下進行。

4．4電路設(shè)計與系統(tǒng)設(shè)計

電路的設(shè)計是根據(jù)系統(tǒng)的要求進行的，與系統(tǒng)設(shè)計密不可分。功能電路單元要從系統(tǒng)的角度來考察驗證，尤其高度集成的單片射頻系統(tǒng)芯片本身就是一個系統(tǒng)Il，。因此系統(tǒng)設(shè)計手段也被應(yīng)用到MMIC和RFIC的設(shè)計中來，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)日益提高的復雜性，研發(fā)成本不斷提高，市場的需求要求盡量縮短研發(fā)時間，系統(tǒng)設(shè)計需要深入到芯片內(nèi)部。EDA工具將系統(tǒng)設(shè)計和芯片設(shè)計結(jié)合起來，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)品的市場化進程。

5 結(jié)論

本文敘述了微波與射頻集成電路設(shè)計中采用EDA的一些情況，有許多問題還在研究和探討之中。集成電路設(shè)計涉及到從半導體器件到電路系統(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行設(shè)計，但對于設(shè)計者而言，需要大量的理論學習和積累以適應(yīng)新的技術(shù)和方法的出現(xiàn)和發(fā)展。