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。
在这篇文章中，我们提出一个复合的电磁和电路分析方法实现MMIC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EDA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。
[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S参数文件，则电磁分析的频率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；如果电路中的器件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Momentum。Momentum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34.5～35.5GHz，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32～33GHz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。
图1 Ka-band MMIC：输出功率对频率
图2 Ka-band MMIC：输出驻波比对频率
图3 Ka-band MMIC:电路版图(不含器件和键合）
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
电磁仿真采用全波矩量法，感兴趣的频段是32～37GHz，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2～7GHz，大信号增益>15±0.5dB，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1250um×0.5umHFET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±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。在此选择了准静态电磁仿真(Momentum RF)，考虑1～8GHz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。
图5 宽带MMIC:输出功率对频率
图6 宽带MMIC:输入驻波比对频率
图7 宽带MMIC:不包含HFET器件和外键合引线的电路版图
图8 宽带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
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接推广到Si RFIC的设计过程。
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