四種射頻器件設計的TCAD仿真方法詳細解析

四種射頻器件設計的TCAD仿真方法詳細解析

工程師2 發表於 2018-05-18 10:01:00

計算機輔助設計技術（TCAD）應用到設計領域最通常的目的就是預測，仿真能使工程師了解設計。在某些情況下，仿真可用來處理一些不能在實驗室測量的東西，仿真正越來越多地用於提高製造良率。當預測可靠時，預測在技術開發過程中就具有很大優勢。儘管預測的趨勢和數量有時會與測量的實際數據有些出入，但在絕大多數情況下，TCAD還是能依據現有數據提供最準確地預測。

射頻（RF）領域的問題可以分為小信號和大信號兩大類。基於TCAD的小信號的預測時常很困難，這是因為將器件特性複製到仿真器中會非常複雜。在大信號預測中，則可能會因為操作限制和器件的不理想而導致失真。在那些我們能夠準確仿真小信號解決方案的實例中，也同樣可能可以仿真大信號解決方案。

TCAD原理

讓我們看看圖1顯示的一個實際問題，無論小信號和大信號放大器都會出現此類問題。在小信號情況下，放大器通常為A類放大器，我們假設是共軛匹配（conjugate match），設計是公式化的。在大信號情況中，放大器可以是AB類甚或B類，這種情況下的最佳性能選用的匹配通常不是共軛匹配。這種大信號放大器的設計通常是在測試實驗室中，通過對輸入和輸出匹配網絡、輸入偏置和諧波終端（harmonic termination）的最優化實現的。如果同時考慮這些參數和本徵器件（intrinsic device）設計參數的話，就會得出較大的研究空間。對於經常採用不同技術的多級放大器就有可能導致這種參數的劇增。

為了了解不同器件設計的性能，我們不應該在相同的匹配、諧波終端和偏置上對所有器件設計進行比較，而是必須與那些產生器件設計的最佳性能的值進行比較。通過比較放大器中每一種器件的最優性能條件，就可以做出最佳性能器件設計的選擇。

圖1：RF放大器電路。

這就為所考慮的電路和器件的全部大信號仿真提出了一個清楚的案例。如果工程師希望評估當時還沒有已測量數據的新器件，就必須採用TCAD解決方案。TCAD數據的大信號仿真通過四種方法完成：

1. 在TCAD中採用混合模式的瞬態仿真；

2. 在TCAD工具中直接採用集成的諧波平衡（Harmonic Balance）進行大信號仿真；

3. 特殊工具將複合仿真結果和電路設計整合；

4. 從TCAD數據提取大信號緊湊模型，並使用這些模型來理解大信號特徵參數。

研究採用最基本方法，即混合模式進行仿真的可能性非常重要。在混合模式中，瞬態電路仿真直接在TCAD軟體中完成。在通常情況下，電路設計師並不採用瞬態仿真而是採用諧波平衡來解決這些大信號仿真問題。面臨的挑戰主要是在工作檯（workbench）內準確描述RF電路，然後採用簡單的單（或雙）頻率載波（CW）輸入功率掃描，執行TCAD仿真。瞬態仿真必須在穩定狀態下執行，可能需要幾個周期的時間。在器件處於壓縮時，這種仿真可能會面臨更多數值上的挑戰。所仿真的時間序列必須足夠長，才能描述所需的最低頻率。對於雙音或多音（tone）問題，可能需要很長時間的瞬態仿真。因此，運行功率掃描可能非常耗時。此外，混合模式工作檯的設計大多非常糟糕，因為它缺少像復抗阻這樣的關鍵項。對於實際電路而言，這種方法的主要問題是速度和收斂。

第二種方法是在TCAD仿真工具中實現諧波平衡。諧波平衡方法更正確的稱呼是KCL-HB或基爾霍夫電流定律諧波平衡，用於安捷倫公司的先進設計系統（ADS）、Cadence的Spectre-RF，以及在RF和模擬設計中常用的其它電路仿真器。諧波平衡是一種非線性的頻域技術，用於確定具有較寬頻率變化內容的系統的準周期穩態解決方案。這種方法採用下列等式：

該等式描述了線性和非線性電路電流之間的關係，括號中的參數是線性部分，其餘的是非線性部分的。Is是電源電流，Y是線性電路導納矩陣（admittance matrix），V是內部節點電壓矢量，Ω是對角線上的角頻率矩陣，Q是頻域中的電荷矢量，IG是頻域中的非線性電路的電流。當線性和非線性電路達到平衡時，這種解決方案就開始收斂。

利用TCAD的實現方案需要大量開發工作。儘管這一領域有了大量的研究和源於大學的程序可用，但市場上一直沒有提供可靠的工具。諧波平衡是大信號RF問題採用的一種方法，通常在電路仿真工具中執行。諧波平衡是一種非線性頻域穩態仿真。

線性電路組件僅在頻域中進行建模，非線性組件在時域中建模，並且在每一步都轉換到頻域。運算法則一般將這種處理的諧波數量限制在7~11次。達到11次的內存要求是4~8GB，還不包括器件仿真所需的內存。可以使用需要較少內存的迭代解決方案。由於資源有限，這些內容要求導致了諧波次數限制，多級放大器的分析目前不能採用這種方法。掃描可能需要幾個小時，而實際器件所需的時間可能會更長。

第三種方法是Loechelt於2000年研究的，這種方法是計算負載拉升（CLP）。在該方法中，大信號瞬態的仿真（或測量）可用於描述本徵器件，並用工具將所有集中在一起，進行電路評估。這種方法有幾個優點，一旦構成用於描述本徵器件的數據集，它就可以用在多個電路仿真中。當然，這種方法也有缺點，由於RF工作檯構建在CLP工具內部，因此只能用於那些在這種工具中執行的設計。

到目前為止，這些方法的問題是速度、RF工作檯的功能、性能和設置時間，如表1所述。

表1：TCAD數據的大信號仿真四種方法比較。

第四種方法是從TCAD仿真數據中提取緊湊模型。該方法的主要優勢在於基於仿真的模型採用相同的程序、提取方法，並能採用與基於測量的模型相同的設計。這就允許使用已經開發出來的非常強大的RF電路仿真功能和原來的RF設計。缺點是運行TCAD需要時間，提取模型需要時間，以及採用的緊湊模型有一定限制。這是一種重要限制，因為TCAD仿真可能包含的物理特性不能反映在緊湊模型中。這種缺陷有兩種補救措施，一種是創建具有更佳物理特性的用戶定義的模型版本，另一種是採用基於表格的模型。為了讓這種方法具有實用性，必須創建自動提取，實現大量器件模型的快速提取。

由於我們從圖1中知道了最佳性能出現在不確定的源和負載匹配中，因此必須在整個源和負載層面進行仿真，以搜索到最高性能點。假設有60個源狀態和60個負載狀態必須交替搜索，就有可能要完成300次左右的功率掃描才能確定最高性能點。

大信號TCAD仿真示例

TCAD仿真適用於使用Synopsys工具的器件。模型的提取採用從那些已仿真的數據中自動提取的方法，並對圖2中顯示的正向、反向Gummel、I/Vs和CV特徵進行比較。

圖2：正向、反向Gummel、I/V和CV特徵的比較，其中TCAD數據為藍色，模型數據為紅色。

TCAD數據顯示為藍色，模型數據顯示為紅色。兩者相符顯示該模型準確地反映了原始的TCAD數據。圖3顯示的是S特徵參數的比較。良好的匹配再次表明該模型準確地反映了TCAD數據。

圖3：S-參數特徵的比較，其中TCAD數據為藍色，模型數據為紅色。

該模型在類似於圖1所示的電路中使用。採用反覆掃描源和負載平面的算法，選擇出最佳性能的源和負載匹配。圖4中比較了由此產生的類似設計器件測量出的數據之間的負載平面效率，黑線為參考測量數據，紅線是採用該模型的仿真數據。

圖4：效率等高線。

最大效率點的功率掃描與一個類似設計測試器件的測量數據的比較如圖5所示。

圖5：最高效率功率掃描圖。

該功率掃描圖顯示了效率、輸出功率和增益的出色預測。此外，比較還顯示了線性誤差矢量幅度（EVM）、鄰信道功率（ACP）和相間信道功率（ALT）的測量結果。這些測量顯示，增益和相位關係得到了很好的仿真。對於目前的無線通信器件設計來說，線性特徵、EVM、ACP和ALT的準確預測非常重要。

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