四种射频器件设计的TCAD仿真方法比较分析

闽江岸边

计算机辅助设计技术(TCAD)应用到设计领域最通常目就是预测，仿真能使工程师了解设计。在某些情况下，仿真可用来处理一些不能在实验室测量东西，仿真正越来越多地用于提高制造良率。当预测可靠时，预测在技术开发过程中就具有很大优势。尽管预测趋势和数量有时会与测量实际数据有些出入，但在绝大多数情况下，TCAD还是能依据现有数据提供最准确地预测。

射频(RF)领域问题可以分为小信号和大信号两大类。基于TCAD小信号预测时常很困难，这是因为将器件特性复制到仿真器中会非常复杂。在大信号预测中，则可能会因为操作限制和器件不理想而导致失真。在那些我们能够准确仿真小信号解决方案实例中，也同样可能可以仿真大信号解决方案。

TCAD原理

让我们看看图1显示一个实际问题，无论小信号和大信号放大器都会出现此类问题。在小信号情况下，放大器通常为A类放大器，我们假设是共轭匹配 (conjugate match)，设计是公式化。在大信号情况中，放大器可以是AB类甚或B类，这种情况下最佳性能选用匹配通常不是共轭匹配。这种大信号放大器设计通常是在测试实验室中，通过对输入和输出匹配网络、输入偏置和谐波终端(harmonic termination)最优化实现。如果同时考虑这些参数和本征器件(intrinsic device)设计参数话，就会得出较大研究空间。对于经常采用不同技术多级放大器就有可能导致这种参数剧增。

为了了解不同器件设计性能，我们不应该在相同匹配、谐波终端和偏置上对所有器件设计进行比较，而是必须与那些产生器件设计最佳性能值进行比较。通过比较放大器中每一种器件最优性能条件，就可以做出最佳性能器件设计选择。




这就为所考虑电路和器件全部大信号仿真提出了一个清楚案例。如果工程师希望评估当时还没有已测量数据新器件，就必须采用TCAD解决方案。TCAD数据大信号仿真通过四种方法完成：

1. 在TCAD中采用混合模式瞬态仿真；

2. 在TCAD工具中直接采用集成谐波平衡(Harmonic Balance)进行大信号仿真；

3. 特殊工具将复合仿真结果和电路设计整合；

4. 从TCAD数据提取大信号紧凑模型，并使用这些模型来理解大信号特征参数。

研究采用最基本方法，即混合模式进行仿真可能性非常重要。在混合模式中，瞬态电路仿真直接在TCAD软件中完成。在通常情况下，电路设计师并不采用瞬态仿真而是采用谐波平衡来解决这些大信号仿真问题。面临挑战主要是在工作台(workbench)内准确描述RF电路，然后采用简单单(或双)频率载波 (CW)输入功率扫描，执行TCAD仿真。瞬态仿真必须在稳定状态下执行，可能需要几个周期时间。在器件处于压缩时，这种仿真可能会面临更多数值上挑战。所仿真时间序列必须足够长，才能描述所需最低频率。对于双音或多音(tone)问题，可能需要很长时间瞬态仿真。因此，运行功率扫描可能非常耗时。此外，混合模式工作台设计大多非常糟糕，因为它缺少像复抗阻这样关键项。对于实际电路而言，这种方法主要问题是速度和收敛。

第二种方法是在TCAD仿真工具中实现谐波平衡。谐波平衡方法更正确称呼是KCL-HB或基尔霍夫电流定律谐波平衡，用于安捷伦公司先进设计系统 (ADS)、CadenceSpectre-RF，以及在RF和模拟设计中常用其它电路仿真器。谐波平衡是一种非线性频域技术，用于确定具有较宽频率变化内容系统准周期稳态解决方案。这种方法采用下列等式：


该等式描述了线性和非线性电路电流之间关系，括号中参数是线性部分，其余是非线性部分。Is是电源电流，Y是线性电路导纳矩阵(admittance matrix)，V是内部节点电压矢量，Ω是对角线上角频率矩阵，Q是频域中电荷矢量，IG是频域中非线性电路电流。当线性和非线性电路达到平衡时，这种解决方案就开始收敛。

利用TCAD实现方案需要大量开发工作。尽管这一领域有了大量研究和源于大学程序可用，但市场上一直没有提供可靠工具。谐波平衡是大信号RF问题采用一种方法，通常在电路仿真工具中执行。谐波平衡是一种非线性频域稳态仿真。