单片射频微波集成电路技术与设计 MMIC设计中CAD技术

电子科技大学 文光俊教授

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第三章 CAD技术

MMIC设计流程

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MMIC设计平台电子科技大学

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

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。3

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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。4

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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。5

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谐波平衡法电子科技大学

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7

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。

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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。

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Fabrication Process control Monitor (PCM)电子科技大学

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商业MMIC设计程序电子科技大学

仿真功能

Agilent ADS Unix/PC√√√√√√√√√√√

Ansoft Serenade PC√√√√√√√√√√√

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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商业MMIC器件参数提取及模型程序电子科技大学

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

MOSFET

MESFET HEMT TFT

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Optotek LASIMO电子科技大学

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)

Cgs和Cds (MESFET) I ds (HEMT) Cgs和Cds (HEMT)可重置器件

IMST GmbH TOPASMESFET/HEMT通用非线性模型!

IMST GmbH COPLANCPW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13

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MMIC设计的电磁仿真软件电子科技大学

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14

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全波EM仿真与分析的必要性电子科技大学

芯片-芯片间互连特性分析

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螺旋电感电路模型

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EM仿真器类型电子科技大学

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

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

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EM仿真方法电子科技大学

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

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17

传输线矩阵法(TLM)中等至大

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EM仿真流程电子科技大学

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EM仿真器中仿真流程图

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EM仿真过程