典型电路模拟与软件仿真研究实验（单片微波集成电路）

MMIC设计中的组件表征

MMIC代工厂基于在特征晶片上制造的实际元件的s参数测量来表征各个组件单元，例如电容器，电阻器和螺旋电感器。为此，芯片代工厂设计了一套掩模组，其中包括从无源器件到有源晶体管器件的所有不同类型元件的多种几何形状。图1显示了表征的一套掩模组（mask-set），包括具有1,2,4,6和8个栅指的MESFET，长度为50μm，100μm，150μm和200μm。注意，每个元件放置在两个RFOW探针焊盘之间，并与一段相对窄的微带传输线连接。传输线的长度设计用于确保在组件局部产生的任何渐逝电磁模（ evanescent modes）在到达RFOW焊盘时最小，以便仅测量传播的微带模式。校准测量设备以将数据文件参考平面放置在该传输线连接到器件的位置。

图1、来自表征掩模集的一部分，包括多种几何结构的MESFET器件

在一段时间内使用表征掩模组制造多个晶圆和批次晶圆，并且每个组件进行RFOW测量，并且保存数据。这为芯片代工厂提供了关于“典型”或平均、器件的特征以及由加工工艺变化产生的特征的扩散或范围的统计信息。

开发各种MMIC组件的电气模型，以获取大量测量数据，并以用户友好的格式提供给MMIC设计人员的微波CAD模拟工具。这些模型通常被开发用于频域仿真模拟，但也应该能够在时域中工作。这些模型，特别是由MMIC代工厂提供的模型，通常具有与电气模型相关联的元件布局，以减少布局过程中出错的可能性。由于当前微波CAD仿真工具的复杂性和特殊性，需要专门为每个仿真工具生成模型，因此芯片代工厂通常只为一个或两个最流行的CAD工具制作模型库。在CAD仿真工具中，模型从组件库中选择，并在电路原理图页面上用符号表示，其背后是集总元件等效电路电气模型的编译软件代码。

集总元件电气模型可以用于有源和无源元件，因为与施加信号的波长相比它们通常比较小。集总元件近似适用于尺寸小于信号波长十分之一的元件，因此考虑到GaAs微带上的波长在20 GHz时约为5 mm，并且元件通常小于0.2毫米，这是可以接受的。FET的栅极可以充当慢波成分，大大降低了它们的有效的等效信号波长，因此FET的集总元件模型在高频可能会增加误差。设计用于使用相邻微带线的耦合效应并且具有四分之一波长尺寸的诸如Lange耦合器的部件不能用集总元件模型建模。

图2、串联MIM电容的集总单元的等效电路模型

每种集总元件的等效电路模型的拓扑结构通常取自相关文献，并且有时被修改为包括与MMIC组件相关的寄生元件。从构成元件的金属穿过典型的100μm厚的衬底到背面接地面的寄生电容几乎存在于每个MMIC元件中，并且在等效电路模型中通过小电容接地。同样，每种元件内的寄生损耗在模型中通过一个小的串联电阻来考虑。一个例子是MIM串联电容器的集总元件等效电路模型，如图2所示。主电容是电容器顶板和底板之间的平行板电容;所有其他元件都是寄生效应，例如电感表示信号进入电容器一侧并从相对侧输出时的相移。现在可以将完整的等效电路模型拟合到等效元件的测量数据中，该数据通过改变电路元件直到测量和建模的s参数相同的方式来实现。这为组件的一个特定几何形状提供了模型，但MMIC设计者可能更喜欢使用能够覆盖整个几何范围的可扩展模型。

MMIC设计非常复杂，通常要求在CAD仿真工具中优化设计，以尽可能接近所需的规格。允许仿真模拟软件更改组件的主要参数值，直到针对性能目标的误差函数最小化。要做到这一点，模型必须可以根据元件几何尺寸进行扩展，而不仅仅是从表征晶圆测量的离散尺寸，也可以是连续的方式进行。

典型的铸造方法是将集总等效电路模型拟合到所测量的几何形状的整个范围，并生成数学函数表达式，例如，方形MIM电容器的主电容如何随着两侧长度的变化而变化。数学表达式通常是展开的截断多项式，其条件适合于元件的物理特性（即在方形MIM电容器的主电容的情况下，这由“侧面长度”平方项占据支配地位，因为电容是与平板的面积成比例）。

可扩展模型仅在测量的几何形状范围内有效，并且具有适合的等效电路模型。现在，多项式表达式在测量的几何图形之间提供有效的插值，因此可伸缩模型可用于几何尺寸优化中。但不建议在测量的几何范围之外进行外推，因为多项式表达式不太可能是线性的，并且可能导致误差的增加。

所有MMIC工艺都生产出具有不同物理和电气参数的晶圆，从而造成MMIC元件特性的分散。例如，MIM电容器中的介电层的厚度直接影响它们的主电容，并且有源半导体层的掺杂和蚀刻影响晶体管的增益和寄生电容。因此，最有用的模型是允许设计者根据芯片铸造厂提示的变化范围改变其特性的模型。MMIC设计师应该注意到晶圆上的参数波动和一批晶圆内的参数波动可能比芯片铸造厂指定的最大值和最小值小很多，因为它们公布的数据还必须考虑到随时间的长期漂移的影响。

诸如电阻器和MIM电容器之类的无源元件的模型仅需要对其特性变化影响最大的参数的公差变量，例如电阻膜电阻率和介电层厚度。这些参数倾向于独立变化，并且在执行整体容差分析时可以假设它们是不相关的。

有源器件的模型要复杂得多，并且往往表现出依赖于等效电路模型中相关变量的特性。由于相关性尚不完全清楚，数据库采样是评估容差分析过程中有源器件容差变化影响的更好方法。

许多CAD仿真工具允许将器件的物理布局链接到电气模型中，电气模型显示在单独的布局窗口中。这有助于最大限度地减少从设计原理图到设计布局之间出现错误的可能性，但确实限制了布局的某些方面的灵活性，因为链接的布局只能在其结构上的预定点处连接加入。