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1、用Momentun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ADS应用笔记之7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
2、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。IC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MMDA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E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。S参数文件，则电磁分析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的频率
3、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 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
4、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 Mome ntum。 Mome ntum 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 34.535.5GHz,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
5、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 3233GHz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3237GHz,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
6、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27GHz,大信号增益15士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1250umx 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）。但实测结果展示了士 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
7、态电磁仿真(Momentum RF),考虑18GHz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
8、接推广到 Si RFIC的设计过程。?2E1O3.3E1C3.4E103.5E1D?胆03.7E1CEBP -卫山 Emp OCL32E10 3.3EIJ 34=103 6Ef J 3.6E1O27E1D至U 匕 iufrefire图1 Ka-ba nd MMIC: 输出功率对频率图 2 Ka-band MMIC: .Ut/IRE .WVln&l0=35 uni L=S5L um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TeiTn ,Terml Num=i 凸 M Ohma* 1 * 41 1 11UIJ ,WIFE. WireSO25 urn L=Z
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