射频集成电路半导体器件技术与CAD

设计工具是电路级的模拟或仿真。

　　●SPICE仿真的不足

　　通常的电路模拟使用的是以SPICE为代表的模拟技术，它支持多种仿真，见表1。但由于RFIC的特点，用这类电路模拟技术存在很多困难。

　　首先，RFIC的设计指标大多是电路处于稳态时的指标，如功率增益、交调与畸变等，用SPICE的时域模拟必须经过一个瞬态过程才能到达稳态，对有较长瞬态过程的电路，要耗费大量的计算。

　　其次RFIC通常存在两个或多个频率或变化速度相差悬殊的信号。典型的情况是混频器，载频与信号频率往往相差几个数量级。其它如PLL的捕捉过程，振荡器的起振过程等，用SPICE来模拟这些情况效率都很低，因模拟所需时间取决于最慢分量，而时间步长取决于最快分量。

　　另外RFIC中存在互连、封装等分布的寄生元件，SPICE也无法处理。这些元件准确的特性要由电磁场分析给出，一般适宜在频域中描述，不能直接用于时域中的分析。

　　最后，噪声是决定IC系统性能，如信噪比，误比特率的一个重要因素，但SPICE只能对线性放大器、且噪声源为平稳随机过程的情形作噪声分析，而对RFIC系统中的非线性电路，如混频器、振荡器，因噪声受到大信号的调制，统计特性不再是平稳的，且混频噪声与振荡器的相位噪声特性不同，不能用SPICE中线性电路的噪声分析方法。
●RF电路仿真技术

　　由于上述原因，以SPICE为代表的传统电路模拟无法满足RFIC分析的需要。为此，在过去十几年中发展了专门针对射频与微波通信电路的模拟、仿真技术。

　　时域方法：时域仿真一般是在假设电路的稳态相应是周期的前提下求解电路时域微分方程组，即v(0)=v(T),其中，v是节点电压向量，T是周期，v(0)是节点电压零时刻的初始向量，v(T)是T时刻的节点电压向量，然后找到使方程有周期解的初始状态v(0)。对于激励信号是周期信号的电路，周期T是已知量，但对于振荡电路，它的周期一般是未知的，所以除了确定v(0)外，还要确定周期T。

　　解上述方程组最常用的方法是牛顿试射法。它的基本原理是：假设电路相应的周期T已知，在某个初始状态下，在周期T 内对电路做传统的电路瞬态分析，判断v(0)=v(T)是否满足，如不满足，令v(0)=v(T)，再做瞬态分析，如此迭代下去，直到找到满足v(0)=v(T)的初始状态。图2是进行了5次牛顿迭代的v(t)波形。

　　在上述过程中，要做大量的矩阵运算，因此这对电路的规模有限制，目前的仿真一般不超过300个节点。

　　试射法是时域中的方法，电路非线性的强弱或信号是否接近正弦不影响方程规模与内存量，迭代的收敛性取决于v(T)与v(0)之间关系非线性的程度，而不是电路本身的非线性，因此对一些强非线性电路也能收敛。它的缺点是较难处理分立元件。在时域中，要想准确地计算失真，需要选择合适地仿真允差和算法。

　　谐波平衡法：谐波平衡是一种在频域求电路稳态响应的方法。首先将信号表示成为傅立叶展开的形式，在节点处的各次谐波分量都列写KCL方程组，把时域中的微分方程转化为频域中的代数方程，然后用牛顿迭代求解傅立叶系数。需要特别注意的是由于非线性元件的特性表示是在时域中的，因此它们的计算要先在时域中进行，再使用傅立叶变换将它们变换到频域。而要计算时域的非线性电阻电流与非线性电容电荷，又要先用逆傅立叶变换将激励信号V（ω）转换到时域。

　　谐波平衡法实质上是频域中的非线性分析方法，适合于对非线性不强的电路做近似正弦的稳态分析，如放大器的畸变与交调分析。当电路的非线性较强时，就要取基波的很多次谐波分量来模拟失真的正弦信号，失真越大，取的谐波次数就越多，这样就会使方程规模增大成非线性时的另一困难是迭代时更难收敛。

　　近年来为了加快分析速度，提高效率，以适RFIC的需要，在这两种方法的基础上有不少新的进展，如基于Krylov子空间迭代的方法、包络分析法、多变量偏微分方程法等。有兴趣的读者可参考有关文献。

　　结语

　　射频集成电路的发展方向是更高的频率应用范围和更宽的带宽，这在实现上需要半导体技术新工艺的不断发展，在设计中需要更加精确和可靠的CAD技术支持。