新型射頻半導體電路優化建模技術研究

摘 要：本文提出了一種新型金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）器件的小信號等效電路結構，并提取了等效電路結構的元件參數值，并進行了模塊的S參數模擬S參數模擬。最后，將模擬結果與測試數據的差異進行比較。分析了所產生的器件模型的誤差，論證了內置小信號模型的良好性能。

關鍵詞：小信號模型；電路結構；仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.24.109

近年來，快速增長的無線通信市場已經看到消費者對低功耗和低成本接收器芯片組的需求日益增長。

現在，全球研究的主流方向就是射頻集成電路，并應用CMOS技術將射頻和數字基帶同時集成于同一個芯片。然而，MOSFET存在一些不足，如速度慢，截止頻率低，噪聲大等，以及CMOS技術在高損耗襯底方面的缺點，現有的RFIC應用面臨許多挑戰。同時，仿真軟件中的MOSFET器件也存在高頻小信號模型不完整，和噪聲模型不準確等缺點，高頻參數離散化等。因此，很有必要提高設備的高頻噪聲模型的準確性。為了改善MOSFET開關的小信號模型，并解決高頻參數中產生的離散問題，文中提出一種等效電路結構，可以使S的最終參數的模擬結果與實際信息更加接近，作為RFIC使用MOSFET器件的基石。

1 電路設計

在電路設計中，最終系統的精度主要由參與構成的器件小信號模型的精密度決定?？焖僭O計電路時，準確的小器件模型可用于優化整個電路設計并縮短電路設計周期。小型交換信號模型的設計中，設備模型的準確性主要由模型的結構所決定。

1.1 等效電路結構的優化

根據電路信號大小，集成電路模型分為小信號等效模型和大信號非線性等效模型。小信號模型主要是用于分析電路器件的性能，并設計反向工藝和小信號的放大器件；而大信號非線性模型是設計非線性電路的關鍵，主要用來準確描述電路器件的非線性特征。所以，準確構建小信號交流模型，能夠更為準確反映其特性。改進和完善已有的器件等效電路模型，得到了一個精密而準確的小信號電路模型。如圖1所示。

圖1（a）中的小信號模型結構是現在所廣泛使用的電路模型，Podell模型，VanderZiel模型，Fukui模型都是基于該模型所構建的。 如圖1（a）所示，該模型可分為兩部分，虛線框部分是模型的固有部分，這部分參數值不但被器件的結構，制造工藝所影響，而且還被偏置影響[1]；虛框外的外部部件僅僅由電路的焊接過程、金屬與晶體之間的連接關系等影響。盡管該模型已達到了高精度，并且該系統簡潔且有效，但并不能將所有的S參數精準模擬，比如當頻率較高（5GHz以上）的時候，所得到的測試數據S12就會變得非常小。而使用圖1（b）的模型結構所擬合得到的參數S12為零；該結構是根據原有的電路結構，加入Rgd部件所得到的，應用這個電路模型所擬合得到的S參數會更加接近測試數據。

1.2 本征元件參數值的提取

已經使用標準的開路/短路測試結構獲得了焊盤寄生效應和互連寄生效應。剝離寄生參數后，最終得到固有的Y參數。使用MATLAB軟件對所得到測試數據編程，可以獲得小信號等效電路的元件參數。在器件建模軟件IC-P2008中，FET小信號器件模型由改進的等效電路結構和提取器件參數值編譯生成。最后，應用S參數模擬器對經過ADS仿真驗證后的的模型進行驗證。

2 仿真結果及分析

使用所構建的小信號模型的小參數進行模擬，根據下列誤差公式計算出模擬數據與實測數據之間的差異。

其中，N是頻率點數，為測試中的參數，為仿真模擬參數，當計算結果的相對誤差小于3%時，即可以認為所構建的小信號模型的性能較好。

3 結語

本文提出了一種新的小信號等效電路結構，可用于MOSFET器件。通過引入柵極和漏極的電阻分量，使得等效電路所擬合生成的S參數與實際測定的S參數更加相近，繼而構建高效的非線性模型和高頻噪聲模型。此外，對器件建模模塊進行編譯生成元件參數供RF和微波器件模型使用。調用S參數模擬器來比較模擬和測試數據之間的差異。器件模型的誤差分析表明了所構建的小信號模型的良好性能。

參考文獻：

[1]LEE T H.The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits[M].BeiJing： Publish House of Electronics Industry， 2006：225-229.

[2]CHENG Y H，DEEN M J CHEN C H.MOSFTE Modeling for RFIC Design[J].IEEE Trans.Electron Devies，2005，52（07）：1286-1303.

作者簡介：吳健（1989-），男，江蘇鹽城人，本科，助理工程師，從事微波射頻電路方面的研究。