四種射頻器件設計的TCAD仿真方法分析比較
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計算機輔助設計技術(shù)(TCAD)應用到設計領(lǐng)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(lái)處理一些不能在實(shí)驗室測量的東西，仿真正越來(lái)越多地用于提高制造良率。當預測可靠時(shí)，預測在技術(shù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中就具有很大優(yōu)勢。盡管預測的趨勢和數量有時(shí)會(huì )與測量的實(shí)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(lǐng)域的問(wèn)題可以分為小信號和大信號兩大類(lèi)?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/TCAD">TCAD的小信號的預測時(shí)常很困難，這是因為將器件特性復制到仿真器中會(huì )非常復雜。在大信號預測中，則可能會(huì )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(shí)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(gè)實(shí)際問(wèn)題，無(wú)論小信號和大信號放大器都會(huì )出現此類(lèi)問(wèn)題。在小信號情況下，放大器通常為A類(lèi)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(lèi)甚或B類(lèi)，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(shí)驗室中，通過(guò)對輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò )、輸入偏置和諧波終端(harmonic termination)的最優(yōu)化實(shí)現的。如果同時(shí)考慮這些參數和本征器件(intrinsic device)設計參數的話(huà)，就會(huì )得出較大的研究空間。對于經(jīng)常采用不同技術(shù)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(jìn)行比較，而是必須與那些產(chǎn)生器件設計的最佳性能的值進(jìn)行比較。通過(guò)比較放大器中每一種器件的最優(yōu)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(gè)清楚的案例。如果工程師希望評估當時(shí)還沒(méi)有已測量數據的新器件，就必須采用TCAD解決方案。TCAD數據的大信號仿真通過(guò)四種方法完成：
1. 在TCAD中采用混合模式的瞬態(tài)仿真；
2. 在TCAD工具中直接采用集成的諧波平衡(Harmonic Balance)進(jìn)行大信號仿真；
3. 特殊工具將復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，并使用這些模型來(lái)理解大信號特征參數。
研究采用最基本方法，即混合模式進(jìn)行仿真的可能性非常重要。在混合模式中，瞬態(tài)電路仿真直接在TCAD軟件中完成。在通常情況下，電路設計師并不采用瞬態(tài)仿真而是采用諧波平衡來(lái)解決這些大信號仿真問(wèn)題。面臨的挑戰主要是在工作臺(workbench)內準確描述RF電路，然后采用簡(jiǎn)單的單(或雙)頻率載波(CW)輸入功率掃描，執行TCAD仿真。瞬態(tài)仿真必須在穩定狀態(tài)下執行，可能需要幾個(gè)周期的時(shí)間。在器件處于壓縮時(shí)，這種仿真可能會(huì )面臨更多數值上的挑戰。所仿真的時(shí)間序列必須足夠長(cháng)，才能描述所需的最低頻率。對于雙音或多音(tone)問(wèn)題，可能需要很長(cháng)時(shí)間的瞬態(tài)仿真。因此，運行功率掃描可能非常耗時(shí)。此外，混合模式工作臺的設計大多非常糟糕，因為它缺少像復抗阻這樣的關(guān)鍵項。對于實(shí)際電路而言，這種方法的主要問(wèn)題是速度和收斂。
第二種方法是在TCAD仿真工具中實(shí)現諧波平衡。諧波平衡方法更正確的稱(chēng)呼是KCL-HB或基爾霍夫電流定律諧波平衡，用于安捷倫公司的先進(jìn)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(xiàn)性的頻域技術(shù)，用于確定具有較寬頻率變化內容的系統的準周期穩態(tài)解決方案。這種方法采用下列等式：
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該等式描述了線(xiàn)性和非線(xiàn)性電路電流之間的關(guān)系，括號中的參數是線(xiàn)性部分，其余的是非線(xiàn)性部分的。Is是電源電流，Y是線(xiàn)性電路導納矩陣(admittance matrix)，V是內部節點(diǎn)電壓矢量，Ω是對角線(xiàn)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(xiàn)性電路的電流。當線(xiàn)性和非線(xiàn)性電路達到平衡時(shí)，這種解決方案就開(kāi)始收斂。
利用TCAD的實(shí)現方案需要大量開(kāi)發(fā)工作。盡管這一領(lǐng)域有了大量的研究和源于大學(xué)的程序可用，但市場(chǎng)上一直沒(méi)有提供可靠的工具。諧波平衡是大信號RF問(wèn)題采用的一種方法，通常在電路仿真工具中執行。諧波平衡是一種非線(xiàn)性頻域穩態(tài)仿真。
線(xiàn)性電路組件僅在頻域中進(jìn)行建模，非線(xiàn)性組件在時(shí)域中建模，并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?？梢允褂眯枰^少內存的迭代解決方案。由于資源有限，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采用這種方法。掃描可能需要幾個(gè)小時(shí)，而實(shí)際器件所需的時(shí)間可能會(huì )更長(cháng)。
第三種方法是Loechelt于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(tài)的仿真(或測量)可用于描述本征器件，并用工具將所有集中在一起，進(jìn)行電路評估。這種方法有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，一旦構成用于描述本征器件的數據集，它就可以用在多個(gè)電路仿真中。當然，這種方法也有缺點(diǎn)，由于RF工作臺構建在CLP工具內部，因此只能用于那些在這種工具中執行的設計。
到目前為止，這些方法的問(wèn)題是速度、RF工作臺的功能、性能和設置時(shí)間，如表1所述。
表1：TCAD數據的大信號仿真四種方法比較。
由于我們從圖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(gè)源和負載層面進(jìn)行仿真，以搜索到最高性能點(diǎn)。假設有60個(gè)源狀態(tài)和60個(gè)負載狀態(tài)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(diǎn)。
大信號TCAD仿真示例
TCAD仿真適用于使用Synopsys工具的器件。模型的提取采用從那些已仿真的數據中自動(dòng)提取的方法，并對圖2中顯示的正向、反向Gummel、I/Vs和CV特征進(jìn)行比較。
圖2：正向、反向Gummel、I/V和CV特征的比較，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特征參數的比較。良好的匹配再次表明該模型準確地反映了TCAD數據。
圖3：S-參數特征的比較，其中TCAD數據為藍色，模型數據為紅色。
該模型在類(lèi)似于圖1所示的電路中使用。采用反復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(chǎn)生的類(lèi)似設計器件測量出的數據之間的負載平面效率，黑線(xiàn)為參考測量數據，紅線(xiàn)是采用該模型的仿真數據。
圖4：效率等高線(xiàn)。
最大效率點(diǎn)的功率掃描與一個(gè)類(lèi)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(xiàn)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(guān)系得到了很好的仿真。對于目前的無(wú)線(xiàn)通信器件設計來(lái)說(shuō)，線(xiàn)性特征、EVM、ACP和ALT的準確預測非常重要。
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