摘要：微波單片集成電路和射頻集成電路頻率和集成度的提高使設(shè)計復(fù)雜化，對計算機輔助設(shè)計的依賴性更強，元器件行為的精確描述和仿真器的功能是設(shè)計精度的關(guān)鍵所在。本文對微波單片集成電路和射頻集成電路設(shè)計的計算機輔助設(shè)計問題進行了論述，著重討論了元器件模型和仿真器功能在微波射頻集成電路設(shè)計中的問題和應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞：微波單片集成電路;射頻集成電路;計算機輔助設(shè)計;器件模型;非線性;高頻特性

　　1 引言

　　隨著集成電路的發(fā)展，無線產(chǎn)品的體積越來越小，功能越來越豐富，涉及到民用和軍事應(yīng)用的各個方面。微波單片集成電路（MMIC）與射頻集成電路(RFIC)的水平在很大程度上決定著各種微波和射頻無線系統(tǒng)的技術(shù)水平。

　　微電子加工技術(shù)的進步使得傳統(tǒng)器件做到了更高的工作頻率，同時 MMIC和RFIC向著高度集成和多功能化的方向發(fā)展，尤其是深亞微米的CMOS 技術(shù)在10GHz以下的某些領(lǐng)域已能同傳統(tǒng)的GaAs微波器件一爭高下，而且在成本和集成度方面還更具優(yōu)勢，比如WLAN和Bluetooth的射頻部分可以完全由一到兩塊CMOS射頻芯片實現(xiàn)；在高端，GaAs器件還占據(jù)主導(dǎo)地位；工作頻率方面，GaAs MMIC已經(jīng)做到了Ｗ波段；集成度方面，Ka波段和V波段已經(jīng)有將LNA、MIXER等集成在同一 GaAs襯底上的高度集成的接收前端單片電路。為實現(xiàn)在高端的更大規(guī)模集成，有人改進標(biāo)準(zhǔn)GaAs 工藝，建立了三維MMIC工藝。微波射頻系統(tǒng)中越來越多的以單片集成電路來實現(xiàn)多塊組件和模塊的功能，系統(tǒng)芯片（SOC）的概念已經(jīng)擴展到了微波射頻集成電路領(lǐng)域[1]。

　　高頻模擬電路的分析、綜合和驗證與數(shù)字電路相比要困難得多，而且隨頻率的升高，元器件行為和寄生效應(yīng)更加復(fù)雜。射頻和微波集成電路設(shè)計技術(shù)的發(fā)展同工藝水平的不斷提高相比相對滯后。微波射頻集成電路的復(fù)雜性對設(shè)計者提出了更高的要求和挑戰(zhàn)，CAD技術(shù)是設(shè)計者必不可少的工具。本文討論了MMIC和RFIC設(shè)計中的CAD問題，討論了高度集成的MMIC和RFIC的CAD設(shè)計中對器件模型的要求和挑戰(zhàn)；對無源元件在射頻微波集成電路中的模型問題作了分析；最后，著重討論了微波射頻集成電路設(shè)計對EDA仿真環(huán)境的需求，包括仿真功能及算法、數(shù)值電磁場分析的應(yīng)用、芯片的系統(tǒng)級仿真等。

　　2 器件模型和應(yīng)用

　　2.1 器件模型的種類

　　器件模型不僅是電路設(shè)計者進行電路分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計和綜合的起點，也是用計算機進行分析的基礎(chǔ)。為了精確進行電路設(shè)計，就需要精確的模型來描述器件特性。微波射頻的器件模型從建立方式上分有物理模型、半經(jīng)驗?zāi)Ｐ�、表格模型等；從�?yīng)用的角度上分有小信號模型和大信號模型。

　　物理模型是基于半導(dǎo)體器件的物理方程進行理論分析，主要為器件的設(shè)計服務(wù)，從設(shè)計電路的角度來看應(yīng)用不方便，而且仿真計算非常耗費資源，另外工藝的容差使得器件的實際特性與理論值可能會產(chǎn)生較大的偏差。從測量數(shù)據(jù)中提取模型參數(shù)是射頻微波器件建模最為實用的方法，這種模型屬于半經(jīng)驗?zāi)Ｐ停渚热Q于測量精度和等效電路的形式及其數(shù)學(xué)描述。表格模型的產(chǎn)生是由于工藝水平的提高，器件的溝道越來越小，行為非常復(fù)雜，用傳統(tǒng)的模型描述起來困難。表格模型通過將器件的不同工作區(qū)分離，分段描述端口特性來提高模型精度可以獲得很高的精度，且不依賴于工藝，但是這種模型物理意義性不強，難以定標(biāo)，現(xiàn)在支持它的仿真器還不多。

　　2.2 微波射頻集成電路設(shè)計對器件模型的挑戰(zhàn)

　　不管是CMOS器件，還是MESFET，PHEMT，HBT器件的建模，都有許多實踐和理論的問題需要解決，而且隨工藝的發(fā)展，仿真設(shè)計要求的提高還會遇到許多新問題。設(shè)計者要根據(jù)電路性能指標(biāo)的要求，定性地選擇器件及其工作點，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計、版圖設(shè)計。用CMOS工藝進行射頻電路設(shè)計的研究主要是從20世紀(jì)90年代開始的，而傳統(tǒng)的 BSIM模型主要應(yīng)用于較低頻率（幾百兆以下）的模擬和數(shù)字電路，應(yīng)用到GHz及以上頻率則要考慮更多的高頻寄生效應(yīng)。圖1是將BISM3模型加上部分主要影響高頻效應(yīng)的等效元件，從而比較好地反映在射頻條件下的阻性損耗和襯底耦合效應(yīng)。不僅如此，異質(zhì)結(jié)雙極型器件應(yīng)用到微波毫米波電路中，也必須將傳統(tǒng)的雙極器件模型加上更多的寄生。
                    

      GaAs MESFET，PHEMT和HBT都是微波集成電路的理想器件，設(shè)計者根據(jù)電路性能指標(biāo)和性價比選擇特定工藝，如功率、低噪聲、開關(guān)工藝等。不同工藝有不同的側(cè)重點，工藝線提供的模型也不相同，很難以通用的模型表征不同工藝的特性。例如功率電路設(shè)計需要進行非線性仿真分析，為了用戶能精確設(shè)計必須提供非線性的大信號模型，低噪聲電路中器件工作在小信號狀態(tài)且更關(guān)心噪聲性能