四种射频器件设计的TCAD仿真方法比较分析

文章摘要：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的关系，括号中的参数是线性部分，其余的是非线性部分的。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是对角线上的角频率矩阵，Q是频域中的电荷矢量，IG是频域中的非线性电路的电流。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的实现方案需要大量开发工作。尽管这一领域有了大量的研究和源于大学的程序可用，但市场上一直没有提供可靠的工具。谐波平衡是大信号RF问题采用的一种方法，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

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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的关系，括号中的参数是线性部分，其余的是非线性部分的。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是对角线上的角频率矩阵，Q是频域中的电荷矢量，IG是频域中的非线性电路的电流。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的实现方案需要大量开发工作。尽管这一领域有了大量的研究和源于大学的程序可用，但市场上一直没有提供可靠的工具。谐波平衡是大信号RF问

题采用的一种方法，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。

        线性电路组件仅在频域中进行建模，非线性组件在时域中建模，并且在每一步都转换到频域。运算法则一般将这种处理的谐波数量限制在7~11次。达到

11次的内存要求是4~8GB，还不包括器件仿真所需的内存。可以使用需要较少内存的迭代解决方案。由于资源有限，这些内容要求导致了谐波次数限制，多级放大

器的分析目前不能采用这种方法。扫描可能需要几个小时，而实际器件所需的时间可能会更长。

       第三种方法是Loechelt于2000年研究的，这种方法是计算负载拉升(CLP)。在该方法中，大信号瞬态的仿真(或测量)可用于描述本征器件，并用工具将所

有集中在一起，进行电路评估。这种方法有几个优点，一旦构成用于描述本征器件的数据集，它就可以用在多个电路仿真中。当然，这种方法也有缺点，由于RF

工作台构建在CLP工具内部，因此只能用于那些在这种工具中执行的设计。

       到目前为止，这些方法的问题是速度、RF工作台的功能、性能和设置时间，如表1所述。

表1：TCAD数据的大信号仿真四种方法比较。

         第四种方法是从TCAD仿真数据中提取紧凑模型。该方法的主要优势在于基于仿真的模型采用相同的程序、提取方法，并能采用与基于测量的模型相同的

设计。这就允许使用已经开发出来的非常强大的RF电路仿真功能和原来的RF设计。缺点是运行TCAD需要时间，提取模型需要时间，以及采用的紧凑模型有一定限

制。这是一种重要限制，因为TCAD仿真可能包含的物理特性不能反映在紧凑模型中。这种缺陷有两种补救措施，一种是创建具有更佳物理特性的用户定义的模型

版本，另一种是采用基于表格的模型。为了让这种方法具有实用性，必须创建自动提取，实现大量器件模型的快速提取。

         由于我们从图1中知道了最佳性能出现在不确定的源和负载匹配中，因此必须在整个源和负载层面进行仿真，以搜索到最高性能点。假设有60个源状态

和60个负载状态必须交替搜索，就有可能要完成300次左右的功率扫描才能确定最高性能点。

大信号TCAD仿真示例

         TCAD仿真适用于使用Synopsys工具的器件。模型的提取采用从那些已仿真的数据中自动提取的方法，并对图2中显示的正向、反向Gummel、I/Vs和CV特

征进行比较。

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