新型射頻半導(dǎo)體電路優(yōu)化建模技術(shù)研究

摘 要：本文提出了一種新型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）器件的小信號等效電路結(jié)構(gòu)，并提取了等效電路結(jié)構(gòu)的元件參數(shù)值，并進行了模塊的S參數(shù)模擬S參數(shù)模擬。最后，將模擬結(jié)果與測試數(shù)據(jù)的差異進行比較。分析了所產(chǎn)生的器件模型的誤差，論證了內(nèi)置小信號模型的良好性能。

關(guān)鍵詞：小信號模型；電路結(jié)構(gòu)；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(jīng)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(xiàn)在，全球研究的主流方向就是射頻集成電路，并應(yīng)用CMOS技術(shù)將射頻和數(shù)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(shù)在高損耗襯底方面的缺點，現(xiàn)有的RFIC應(yīng)用面臨許多挑戰(zhàn)。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(zhǔn)確等缺點，高頻參數(shù)離散化等。因此，很有必要提高設(shè)備的高頻噪聲模型的準(zhǔn)確性。為了改善MOSFET開關(guān)的小信號模型，并解決高頻參數(shù)中產(chǎn)生的離散問題，文中提出一種等效電路結(jié)構(gòu)，可以使S的最終參數(shù)的模擬結(jié)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(shè)計

在電路設(shè)計中，最終系統(tǒng)的精度主要由參與構(gòu)成的器件小信號模型的精密度決定。快速設(shè)計電路時，準(zhǔn)確的小器件模型可用于優(yōu)化整個電路設(shè)計并縮短電路設(shè)計周期。小型交換信號模型的設(shè)計中，設(shè)備模型的準(zhǔn)確性主要由模型的結(jié)構(gòu)所決定。

1.1 等效電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

根據(jù)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(shè)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(shè)計非線性電路的關(guān)鍵，主要用來準(zhǔn)確描述電路器件的非線性特征。所以，準(zhǔn)確構(gòu)建小信號交流模型，能夠更為準(zhǔn)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(zhǔn)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(jié)構(gòu)是現(xiàn)在所廣泛使用的電路模型，Podell模型，VanderZiel模型，F(xiàn)ukui模型都是基于該模型所構(gòu)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(shù)值不但被器件的結(jié)構(gòu)，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(guān)系等影響。盡管該模型已達到了高精度，并且該系統(tǒng)簡潔且有效，但并不能將所有的S參數(shù)精準(zhǔn)模擬，比如當(dāng)頻率較高（5GHz以上）的時候，所得到的測試數(shù)據(jù)S12就會變得非常小。而使用圖1（b）的模型結(jié)構(gòu)所擬合得到的參數(shù)S12為零；該結(jié)構(gòu)是根據(jù)原有的電路結(jié)構(gòu)，加入Rgd部件所得到的，應(yīng)用這個電路模型所擬合得到的S參數(shù)會更加接近測試數(shù)據(jù)。

1.2 本征元件參數(shù)值的提取

已經(jīng)使用標(biāo)準(zhǔn)的開路/短路測試結(jié)構(gòu)獲得了焊盤寄生效應(yīng)和互連寄生效應(yīng)。剝離寄生參數(shù)后，最終得到固有的Y參數(shù)。使用MATLAB軟件對所得到測試數(shù)據(jù)編程，可以獲得小信號等效電路的元件參數(shù)。在器件建模軟件IC-P2008中，F(xiàn)ET小信號器件模型由改進的等效電路結(jié)構(gòu)和提取器件參數(shù)值編譯生成。最后，應(yīng)用S參數(shù)模擬器對經(jīng)過ADS仿真驗證后的的模型進行驗證。

2 仿真結(jié)果及分析

使用所構(gòu)建的小信號模型的小參數(shù)進行模擬，根據(jù)下列誤差公式計算出模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)之間的差異。

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

3 結(jié)語

本文提出了一種新的小信號等效電路結(jié)構(gòu)，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(shù)與實際測定的S參數(shù)更加相近，繼而構(gòu)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(shù)供RF和微波器件模型使用。調(diào)用S參數(shù)模擬器來比較模擬和測試數(shù)據(jù)之間的差異。器件模型的誤差分析表明了所構(gòu)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。