单片射频微波集成电路技术与设计 MMIC设计中CAD技术

EM仿真方法
有限元法 有限元法 矩量法 矩量法 矩量法 矩量法 时域有限差分法 时域有限差分法 时域有限差分法 时域有限差分法 时域有限差分法 PML近似时域有限差分法 频域矩量法 排队法 传输线法 有限积分法
独立版本
是 是 否 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 否 是 是
平台
PC/Unix PC/Unix PC/Unix PC/Unix PC/Unix PC/Unix PC/Unix PC/Unix PC/Unix PC/Unix Unix PC PC PC PC PC/Unix
•电路仿真器
集成CAD程序包中有许多不同的仿真器用 于仿真MMIC电、热、成品率的特性。每一种 仿真器在什么域(时域、频域、时域+频域) 中进行? 什么激励? 仿真什么特征? 应用在 什么器件?都有响应的说明。
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•常见常用的电路仿真器
数学 解法 应用和实例
仿真 域 激励 器
DC分 频 多个DC 非线性 建立工作状态，描绘 析 域 电平 代数方 DC偏压曲线。 程 线性 频 单个小 复杂线 小信号稳态特性。计 分析 域 信号正 性代数 算网络参数，MAG，双 弦信号 方程 端口同时共扼匹配条 件，等增益圆，稳定 性因子K，等稳态圆。
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• 作业
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阅读下列参考书 1. Maas S., “Nonlinear Microwave and RF Circuits”, Second Edition, Artech House, USA, 2003. Mass, S., “Nonlinear microwave circuits”, Artech House, USA, 1988. 2. Rodrigues P. J. C., “Computer-aided analysis of nonlinear microwave circuits”, Artech House, USA, 1998.
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EM仿真过程
•商业EM仿真软件
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程序名称
Ansoft’s HFSSTM FullWareTM MomentumTM EnsembleTM EM SuiteTM IE3DTM FidelityTM EmpireTM ConcertoTM XFDTDTM EMA3DTM Microwave StudioTM EMSightTM EMpowerTM MEFiSTo-2DTM MafiaTM
AWR MWO PC √ √ √ √
Cadence Analog Artist PC √
Optotek MMICAD PC √ √
Eagleware Cenesys PC √
平台 DC 线性 谐波平衡 Volt 级数 瞬时 卷积 噪声 包络 混合模式 成品率 布局 EM仿真
√ √ √ √ √ √ √ √ √ √
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多个任 非线性ODE 意时变 信号
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噪声 频 分析 域
单个小 /大信 号正弦 信号
噪声相关 系数矩阵 级联方程
包络 频/ 分析 时 域
多个任 意调制 的大信 号正弦 信号
按一定时 间间隔重 复谐波平 衡法
线性或非线性网 络的噪声性能。 能估计双端口网 络的噪声系数， 振荡器的相位噪 声。 非线性网络对输 入的调制信号的 响应，仿真非线 性失真效应特别 有用。
内存需求 大 非常大 中等至大 中等 中等 中等 小至中等 小至中等 小
CPU时间 大 中等至大 中等至大 中等至大 中等 小至中等 小 小至中等 小至中等 小
灵活性 非常好 非常好 非常好 非常好 非常好 好 好 好 有限 中等
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传输线矩阵法(TLM) 中等至大
•EM仿真流程
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EM仿真器中仿真流程图
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• 全波EM仿真与分析的必要性
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芯片-芯片间互连特性分析
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螺旋电感电路模型
• EM仿真器类型
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EM仿真器类型
注释(功能) 计算3-D场和电流在任意的3-D物体 计算3-D场，但是仅允许2-D电流在平面 层和平面电流在层与层之间 允许非均衡电流（不必正交于界面）在 导通层和表面之间 允许非均衡垂直电流（正交于界面）在 导通层与表面之间 允许非均衡的垂直电流（正交于界面） 在小直径导通层之间 允许有限的均衡垂直电流（正交于界 面）在小直径导通层之间 计算3-D场，但仅允许2-D电导和电流在 16 平面层
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谐波 平衡 分析
频 域 和 时 域
多个大 信号正 弦信号
复杂线性 代数方程 式，DFT和 非线性普 通差分方 程（ODE）
功率放大器、混频 器和振荡器等器件 的大信号稳态性 能。能计算稳态振 荡条件、互调失 真、转换损耗、输 出功率等参量。
Volt 时 erra 域 级数 分析
多个大 非线性ODE 弱非线性放大器、 信号正 混频器、振荡器等 弦信号 器件的精确大信号 稳态性能。
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第三章 ＣＡＤ技术
• MMIC设计流程
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• MMIC设计平台
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• MMIC CAD 特点
CAD程序作用是为设计者提供一套工具的知识 和技能，使设计更高效和有组织性。 •电路示意图捕获器 •支持工具库 2 •分层设计能力
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•电路元件库 •仿真控制功能 •最优化仿真功能 •电路版图设计功能
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•Fabrication Process control Monitor (PCM)
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ห้องสมุดไป่ตู้10
•商业MMIC设计程序
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仿真功能
Agilent ADS Unix/PC √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √
Ansoft Serenade PC √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √
任意3-D仿真器 3-D平面仿真器 2.9-D平面仿真器 2.8-D平面仿真器 2.7-D平面仿真器 2.6-D平面仿真器 2.5-D平面仿真器
• EM仿真方法
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仿真方法 有限差分法(FDM) 有限元法(FEM) 矩量法（MoM） 边界元法(BEM） 模式匹配法 排队法 积分方程法 横向谐振法 频域法
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•谐波平衡法
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谐波平衡法中电路划分
•Volterra级数分析法
Volterra级数分析法电路划分
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集总元件网络的 瞬时响应。能用 于检验放大器的 稳定性，观察其 非线性失真的效 果，仿真振荡器 起振过程。 卷积 频/ 多个任 非线性ODE 集总元件和分布 式元件网络的瞬 分析 时 意时变 时响应，与瞬时 域 信号 分析法相同。 瞬时 时 分析 域
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• MMIC设计的电磁仿真软件
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• MMIC模型和设计技术
设计方法 器件特征化模型 器件分析/经验模型 电路仿真 全波EM分析 成本 高 低 中等 中等 时间 长 短 短 长 准确度 高 低 低 高 局限性 大 大 大 小
•电路和EM仿真器的特点比较
功能 模型参数范围 模型几何结构 元件间耦合 程序对仿真结果的影响 辐射效应 模式 电流分配，EM场可见性 电路仿真器 受限制 限于内置的器件模型 非常有限 非常有限 非常有限 无 无 EM仿真器 不受限制 任意 自动确定 自动确定 自动确定 全部 图形界面
MOSFET
MESFET HEMT TFT
• Optotek LASIMO
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器件类型 I ds(MESFET)
可用模型 Curtice，Statz，Materks-Kacprzak， Triquint （TOM） 高级 Curtice, Curtice-Ettenberg, Lebovic-Zuleeg 连接模型，Statz，物理基础模型 Curtice, 高级Curtice 物理基础模型 Curtice,接头，TOM3，Alpha Model(AOM)
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混合 时 模式 域 分析
成品 率分 析
无 域 或 频 域
多个任 意调制 大信 号，和 /或数 字输入 单个小 信号或 多个大 信号正 信号
数字逻辑 仿真器， 瞬时、卷 积或包络 仿真器 DC、线性 或谐波平 衡仿真器
模拟元件和数字元 件构成的子系统性 能。
电路元件公差对电 路成品率影响的统 计估计。
Cgs和Cds (MESFET) I ds (HEMT) Cgs和Cds (HEMT) 可重置器件
•IMST GmbH TOPAS
MESFET/HEMT通用非线性模型!
•IMST GmbH COPLAN
CPW元件种类 分布式 集总/耦合线 可用的模型 线，开路，短路，间隔，步进，渐变线，空气桥， 接头，交叉线，互联金属通孔，N路耦合线 交指型电容，矩形螺旋电感，薄膜电阻，MIM电容
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•商业MMIC器件参数提取及模型程序
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• Agilent IC-CAP
器件类型 BJT 可用模型 BCTM VBIC BJT模型，Philips MEXTRAM BJT模型，Gummel-Poon模型，Agilent HF Gummel-Poon模型，EEBJT2 BJT BSIM3v3.1；BSIM1,2；UCB MOS level 2.3,Agilent level 3，Agilent EEMOS1 MOSFET，Agilent Root MOSFET 模型 Curtice，Statz，Agilent EEFET3， Agilent Root MESFET Agilent，EEHEMT1，Agilent Root HEMT 12 Si TFT，p-SI TFT