顧小軍 南京恒電電子有限公司

射頻場(chǎng)效應(yīng)晶體管交流小信號(hào)建模技術(shù)的研究

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本文提出了一種新型金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）器件的小信號(hào)等效電路結(jié)構(gòu)，并提取了等效電路結(jié)構(gòu)的元件參數(shù)值。首先，利用器件建模軟件IC-CAP2008，編譯電路模型和提取器件參數(shù)，生成可應(yīng)用于射頻微波領(lǐng)域的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的高頻小信號(hào)器件模型；其次，將轉(zhuǎn)化成的器件模型編譯成為高頻仿真軟件ADS的模型，并進(jìn)行模塊的S參數(shù)仿真；最后，將模擬結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)的差異進(jìn)行比較，分析了所產(chǎn)生的器件模型的誤差，論證內(nèi)置小信號(hào)模型的良好性能。

交流小信號(hào)模型 建模 S參數(shù)仿真

近年來(lái)，由于無(wú)線通信市場(chǎng)的快速發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)低功耗和低成本接收器芯片組的需求量日益增長(zhǎng)。采用CMOS技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)射頻集成電路的技術(shù)已成為全球研究的主流。但是，由于MOSFET的響應(yīng)速度慢、截止頻率低、噪聲大、以及襯底高損耗的缺點(diǎn)，RFIC的應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)。同時(shí)，仿真軟件中的MOSFET器件還存在一些不足，如高頻小信號(hào)模型不完整，高頻噪聲模型不準(zhǔn)確，高頻參數(shù)離散化等。因此，提高設(shè)備的高頻噪聲模型的準(zhǔn)確性也變的尤為重要。為了改善MOSFET開(kāi)關(guān)的小信號(hào)模型，解決高頻和小信號(hào)參數(shù)的離散問(wèn)題，本文提出了一種新的等效電路結(jié)構(gòu)，使最終的模擬S參數(shù)更接近實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為RFIC使用MOSFET奠定了良好的基礎(chǔ)。

1 電路設(shè)計(jì)

對(duì)于電路設(shè)計(jì)，器件的小信號(hào)模型的精密度從根本上決定了最終系統(tǒng)的精度。準(zhǔn)確的器件模型用于快速設(shè)計(jì)電路，優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，縮短設(shè)計(jì)周期是非常有必要的。對(duì)于小型交換信號(hào)模型而言，設(shè)備模型的結(jié)構(gòu)從根本上決定了模型的準(zhǔn)確性。

1.1 等效電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

半導(dǎo)體器件的本質(zhì)是非線性的，但等效模型又可分為小信號(hào)等效電路模型和大信號(hào)非線性等效性電路模型。小信號(hào)模型主要用于分析器件性能以及反向工藝的設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)小信號(hào)放大器；而大信號(hào)模型則主要可以準(zhǔn)確描述器件的非線性特性，是設(shè)計(jì)非線性電路如功率放大器，混頻器和振蕩器以及器件交換小信號(hào)模型的關(guān)鍵。因此，為了使建立的模型能夠準(zhǔn)確反映其特性，應(yīng)精確地對(duì)交流小信號(hào)進(jìn)行建模。對(duì)器件的等效電路模型進(jìn)行了改進(jìn)和改進(jìn)，最終得到了一個(gè)精確的小信號(hào)模型。如圖1所示。

圖1 （a）文獻(xiàn)中結(jié)構(gòu)

圖1 （b）提出的結(jié)構(gòu)

圖1（a）中的小信號(hào)模型的等效電路結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用。VanderZiel模型，F(xiàn)ukui模型和Podell模型都基于這種結(jié)構(gòu)。這種小信號(hào)的等效電路模型可以分為兩部分，虛線框的一部分稱為固有部分，這部分參數(shù)值不但被器件的結(jié)構(gòu)，制造工藝所影響，而且還被偏置影響[1]；虛框外的外部部件僅受到焊接過(guò)程、金屬與晶體之間的相互連接等影響，盡管模型簡(jiǎn)潔而有效且達(dá)到了高精度，但并不是所有的S參數(shù)都能提供精確的擬合，特別是在較高的頻率（5GHz以上），測(cè)試數(shù)據(jù)S12的實(shí)際部分變得非常小。使用圖1（a）的小信號(hào)模型結(jié)構(gòu)對(duì)擬合的S12的實(shí)部是零；所提出的結(jié)構(gòu)是通過(guò)加入Rgd得到的，這個(gè)電阻使得小信號(hào)等效電路圖擬合成的S參數(shù)更適合于測(cè)試數(shù)據(jù)。

1.2 本征元件參數(shù)值的提取

使用標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)路、短路測(cè)試結(jié)構(gòu)獲得了焊盤(pán)寄生效應(yīng)和互連寄生效應(yīng)。剝離寄生參數(shù)后，最終得到固有的Y參數(shù)。這些測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)MATLAB編程獲得小信號(hào)等效電路元件參數(shù)。

在器件建模軟件IC-CAP2008中，改進(jìn)的等效電路結(jié)構(gòu)和提取器件參數(shù)值被編譯生成FET小信號(hào)器件模型，將生成的模型嵌入ADS仿真工具中，調(diào)用S參數(shù)模擬器，驗(yàn)證小信號(hào)模型。

2 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)小信號(hào)模型的小參數(shù)進(jìn)行模擬，使用誤差公式可以計(jì)算出模擬數(shù)據(jù)與測(cè)試數(shù)據(jù)之間的差異。為仿真得到參數(shù)，最后，兩者的相對(duì)誤差小于3%，說(shuō)明小信號(hào)模型的性能良好。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種新穎的小信號(hào)等效電路結(jié)構(gòu)，可用于MOSFET器件。通過(guò)引入柵極和漏極的電阻分量，將等效電路的S參數(shù)擬合得更接近實(shí)測(cè)的S參數(shù)，最終得到較好的高頻噪聲模型和非線性模型。最后，編譯等效電路模型和器件建模模塊ICCAP2008生成以下元件參數(shù)供RF和微波器件模型使用。調(diào)用S參數(shù)模擬器來(lái)比較模擬和測(cè)試數(shù)據(jù)之間的差異，器件模型的誤差分析表明了所構(gòu)建的小信號(hào)模型的良好性能。

[1] LEE T H. The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits[M].BeiJing: Publish House of Electronics Industry,2006:225-229.

[2] CHENG Y H, DEEN M J CHEN C H. MOSFTE Modeling for RFIC Design[J].IEEE Trans.Electron Devies,2005,52(07):1286-1303.

[3] DAMBRINE G, CAPPY A, HELIODORE F,et al. A New Method for Determining the FET Small-Sigal Equivalent Circuit[J]. IEEE Trans. on Microwave and Tethniques,1988,36(07):1151-1159.

顧小軍，1981.07，男，漢，江蘇鹽城，大專，助理工程師，目前從事微波射頻方面的研究。