CN108304663B - 射频晶体管射频参数模型建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射频晶体管射频参数模型建立方法，包括：将射频晶体管按其物理尺寸描述为一空间区域,将该空间区域根据预设物理尺寸划分为4n个子空间区域，每个子空间区域对应一个器件；选择位于该空间区域8个顶点位置的子空间区域，分别对该8个子空间区域对应的器件建立模型提取射频参数；将该8个子空间区域射频参数与其该子空间区域的预设物理尺寸形成8元一次方程组，将该8元一次方程组作为该空间区域射频参数的解析表达式；对该8元一次方程组求解得出各解析参数；根据上述步骤对所有物理尺寸的射频晶体管建立8元一次方程组，进而形成物理尺寸与每个射频晶体管解析表达式之间的对应关系。本发明能提升射频参数模型精度并提高射频参数模型建立效率。

Description

射频晶体管射频参数模型建立方法

技术领域

本发明涉及集成电路领域，特别是涉及一种射频晶体管射频参数模型建立方法。

背景技术

随着目前超大规模集成电路中模拟和射频电路的大量使用，影响电路模拟和射频性能的各种半导体器件的射频特性及其SPICE模型建立仿真愈来愈引起人们的重视。一个准确的SPICE射频模型能够更真实地反映出射频器件的实际性能，使电路设计者能以此为依据设计出性能优越的射频电路。反之，一个缺乏精度的SPICE模型一旦被用于电路设计仿真往往会无法达到预期设计性能甚至导致芯片功能失效。

目前业界用于射频(RF)器件模型建立的方式大都采用子电路模型并结合参数方程来解析各个射频参数并进一步表征器件的射频特性。很多射频(RF)器件模型建立还是沿用几年前甚至十几年前的等效公式和拟合方法，但为提高拟合精度往往会用到几个、十几个乃至几十个拟合参数来进行数据拟合。尽管拟合过程中会采用多种先进的算法并且采用自动优化的方式进行，但因为是用一个公式对所有器件进行整体拟合(Global Fitting)，这种方式的致命缺陷就是欠缺准确性，即使可以凭借模型建立工程师们丰富的专业经验适当进行公式及参数调整，但始终无法很准确达到模型与数据的完美拟合。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能提升射频参数模型精度并提高射频参数模型建立效率的射频晶体管射频参数模型建立方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种射频晶体管射频参数模型建立方法，包括以下步骤：

1)将射频晶体管按其物理尺寸描述为一空间区域,将该空间区域根据预设物理尺寸划分为4n个子空间区域，每个子空间区域对应一个器件，n为自然数；

2)在4n个子空间区域中选择该空间区域8个顶点位置的子空间区域，分别对8个子空间区域对应的器件建立模型提取射频参数；

3)将该8个子空间区域射频参数与其该子空间区域的预设物理尺寸形成8元一次方程组，将该8元一次方程组作为该空间区域射频参数的解析表达式；

4)对该8元一次方程组求解得出该空间区域的解析表达式的各解析参数；

5)根据上述步骤对所有物理尺寸的射频晶体管建立8元一次方程组，进而形成物理尺寸与每个射频晶体管解析表达式之间的对应关系。

可选择的，将每个射频晶体管射频参数以解析表达式的方式表示在仿真器中，仿真器根据输入的射频晶体管的物理尺寸寻找到输入物理尺寸对应的空间区域，将物理尺寸带入该空间区域的解析表达式并调用该空间区域的解析参数完成对射频参数的仿真。

其中，所述物理尺寸包括：栅宽(W)、栅长(L)和栅数量(NF)。

其中，所述空间区域是以射频晶体管栅长为长(L)，栅宽为宽(W)，栅数量(NF)为高的为长方体。

其中，每个空间区域选中的第一到8个器件射频参数对应的解析表达式如下；

可选择的，射频参数包括电阻参数、电容参数和电感参数。

本发明通过将射频晶体管按各器件的物理尺寸进行立体区域划分,获取各个空间区域射频参数对应的解析式，形成多元一次方程组，将射频参数与物理尺寸相关的多元一次方程组求解，所以不仅每个立体区域顶点位置的器件能准确反映实测数据并且通过内插求解可以很精确表征区域内部尺寸的器件特性，参考图5、6所示。并且本发明是先对每个器件进行单独建模提参，然后采用本发明的流程进行后续的3D-binning过程暨区域划分和区域参数提取最后进行模型整合，整个过程可以通过编程的方式实现自动化，容易建立标准化流程及通过商业化EDA软件实现自动建模，从而可使整个建模的效率得到很大提高。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是一种射频晶体管的经典等效电路。

图2是射频晶体管在不同偏压条件下的Smith圆图。

图3是射频晶体管去嵌及参数转换后用于模型提取的Y参数数据。

图4是本发明一实施例的空间区域划分示意图。

图5是空间区域顶点位置器件的射频晶体管不同频率的射频特性数据及模型示意图，图中各点表示数据；图中线表示模型仿真。

图6是空间区域内部位置的射频晶体管不同频率的射频特性数据及模型，图中各点表示数据；图中线表示模型仿真。

具体实施方式

准确的SPICE射频模型能够真实地反映出射频器件的实际性能，建立一个精准的晶体管射频模型的前提是建立一个适合的等效电路如图1所示，D是漏端、B是源端、G是栅端。这是目前业界普遍使用的解析模型，通过将晶体管等效成一系列电阻Rg,Rds,Rd,Rs,Rsub1～3、电容Cds,Cgs,Cgd、电感Lg,Ls,Ld、二极管Djdb,Djsb等基本元件的电路连接并对各个元件赋予恰当的数值进而来表征晶体管准确的射频特性。

在实际晶体管射频模型提取过程中，首先需要规划不同尺寸(W:栅宽；L:栅长；NF:栅数目)的晶体管，并利用专门的RF测试仪器(PNA:矢量网络分析仪)完成数据收集。得到反映射频特性的S参数(如图2)后再进行一系列去嵌(De-embedded)及参数转换得到适合模型提取的基本数据(Y参数数据，如图3)就可以进行模型提取了。

对于不同物理尺寸的射频晶体管都有不同的射频特性，射频建模的基本思路就是要为每一个测到的数据拟合出一组参数，然后对应每一个参数用一组适当的公式来表征，并通过调整公式中的特定参数使对应不同尺寸的模型仿真值与数据尽量接近。这一过程中会使用到各种复杂的数学函数及拟合算法，并通过不断的反复迭代来优化参数以期达到最小的整体误差。因为射频晶体管的模型需要在三个维度(暨W:栅宽；L:栅长；NF:栅个数)都满足要求，这就导致了高误差率无法避免。这种传统的建模方式已经被业界广为使用，但一直存在很大的问题就是精度，为了改善这一缺陷加入了很多表达式及参数从而造成了模型方程式极其复杂，而且对建模工程师的技术要求和经验积累也越来越高，整个建模周期也变得越来越长。

本发明提供一种射频晶体管射频参数模型建立方法，包括以下步骤:

根据三个物理尺寸/维度(暨W:栅宽；L:栅长；NF:栅数量)将射频晶体管描述为一空间区域,将该空间区域根据预设物理尺寸划分为4n个子空间区域，每个子空间区域对应一个器件，n为自然数；其中，划分子空间区域的预设物理尺寸是可以任意指定的(W1:栅宽；L1:栅长；NF1:栅数量)。在一空间区域中划分4n个子空间区域，则W≥W1，L≥L1，NF≥NF1

图4所示，假设将射频晶体管按W:栅宽；L:栅长；NF:栅数量描述为一正方体空间区域，再将该长方体空间按照相同的预设物理尺寸W1:栅宽；L1:栅长；NF1:栅数量划分为8个子区域即bin_1-bin_8。由于划分为8个区域，长方体的各顶点恰好对应一个子空间区域。

接下来先分别对各个子空间区域对应的每个器件进行建模提参，从中得到对应的射频参数，例如RG，每组参数对应特定尺寸。当将该空间区域划分为更多子空间区域时，例如16、64等，选择长方体顶点位置子空间区域对应的器件建模提参。

对某一个区域(以bin_1为例)来说就有8个(暨一个正方体的8个顶点)器件获得8个射频参数，然后将每个参数解析为与W、L、NF相关的等式。

以参数RG为例，器件1(bin_1)～器件8(bin_8)的RG分别有不同的解析式：

器件1：

rg(1)＝rg0_bin_1+wrg_bin_1/W(1)+lrg_bin_1/L(1)+prg_bin_1/W(1)/L(1)+rgnf0_bin_1/NF(1)+wrgnf_bin_1/W(1)/NF(1)+lrgnf_bin_1/L(1)/NF(1)+prgnf_bin_1/W(1)/L(1)/NF(1)；

器件2：

rg(2)＝rg0_bin_1+wrg_bin_1/W(2)+lrg_bin_1/L(2)+prg_bin_1/W(2)/L(2)+rgnf0_bin_1/NF(2)+wrgnf_bin_1/W(2)/NF(2)+lrgnf_bin_1/L(2)/NF(2)+prgnf_bin_1/W(2)/L(2)/NF(2)；

器件3：

rg(3)＝rg0_bin_1+wrg_bin_1/W(3)+lrg_bin_1/L(3)+prg_bin_1/W(3)/L(3)+rgnf0_bin_1/NF(3)+wrgnf_bin_1/W(3)/NF(3)+lrgnf_bin_1/L(3)/NF(3)+prgnf_bin_1/W(3)/L(3)/NF(3)；

……

……

……

器件8：

rg(8)＝rg0_bin_1+wrg_bin_1/W(8)+lrg_bin_1/L(8)+prg_bin_1/W(8)/L(8)+rgnf0_bin_1/NF(8)+wrgnf_bin_1/W(8)/NF(8)+lrgnf_bin_1/L(8)/NF(8)+prgnf_bin_1/W(8)/L(8)/NF(8)；

W(1)～W(8),L(1)～L(8),NF(1)～NF(8)都是已知晶体管的栅宽、栅长和栅个数,rg(1)～rg(8)是根据器件1～器件8提取的RF射频参数。这样就形成了一个8元一次方程组，通过求解可以很容易得到该方程组的解，即下述各参数：rg0_bin_1,wrg_bin_1,lrg_bin_1,prg_bin_1,rgnf0_bin_1,wrgnf_bin_1,lrgnf_bin_1,prgnf_bin_1

以同样的方式可以得到不同区域bin_n的RG的解：rg0_bin_n,wrg_bin_n,lrg_bin_n,prg_bin_n,rgnf0_bin_n,wrgnf_bin_n,lrgnf_bin_n,prgnf_bin_n。

以同样的方式可以得到其他表征RF特性的参数RDS、RSUB1、CGD、CGS、CDS对应各个区域(bin)的方程解：

rds0_bin_n,wrds_bin_n,lrds_bin_n,prds_bin_n,rdsnf0_bin_n,wrdsnf_bin_n,lrdsnf_bin_n,prdsnf_bin_n

rsub10_bin_n,wrsub1_bin_n,lrsub1_bin_n,prsub1_bin_n,rsub1nf0_bin_n,wrsub1nf_bin_n,lrsub1nf_bin_n,prsub1nf_bin_n

cgd0_bin_n,wcgd_bin_n,lcgd_bin_n,pcgd_bin_n,cgdnf0_bin_n,wcgdnf_bin_n,lcgdnf_bin_n,pcgdnf_bin_n

cgs0_bin_n,wcgs_bin_n,lcgs_bin_n,pcgs_bin_n,cgsnf0_bin_n,wcgsnf_bin_n,lcgsnf_bin_n,pcgsnf_bin_n

cds0_bin_n,wcds_bin_n,lcds_bin_n,pcds_bin_n,cdsnf0_bin_n,wcdsnf_bin_n,lcdsnf_bin_n,pcdsnf_bin_n

将获得的8个RG解析表达式的解析参数和空间区域形成对应关系，进而形成各个空间区域的物理尺寸与该空间区域射频参数的对应关系。这样对应每个三维空间区域(3D-binning)都有了一组用于表征射频参数RG的方程组，后续只需要将这些方程组进行对应空间区域化设置，将每个空间区域的射频参数以解析表达式的方式表示，最后利用对物理尺寸的判断来进行空间区域选择，即完成了射频参数的空间区域模型的初步建立，当用于模型仿真时，仿真器会自动根据输入晶体管器件的物理尺寸寻找到对应的空间区域，将物理尺寸W、L、NF代入该空间区域的参数公式，并调用对应该空间区域的解析参数，就能完成准确的射频性能仿真。

以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种射频晶体管射频参数模型建立方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将射频晶体管按其物理尺寸描述为一空间区域,将该空间区域根据预设物理尺寸划分为4n个子空间区域，每个子空间区域对应一个器件，n为自然数；

2)在4n个子空间区域中选择位于该空间区域8个顶点位置的子空间区域，分别对8个子空间区域对应的器件建立模型提取射频参数；

3)将8个子空间区域射频参数与其该子空间区域的预设物理尺寸形成8元一次方程组，将该8元一次方程组作为该空间区域射频参数的解析表达式；

4)对该8元一次方程组求解得出该空间区域的解析表达式的各解析参数；

5)根据上述步骤对所有物理尺寸的射频晶体管建立8元一次方程组，进而形成物理尺寸与每个射频晶体管解析表达式之间的对应关系。

2.如权利要求1所述射频晶体管射频参数模型建立方法，其特征在于：将每个射频晶体管射频参数以解析表达式的方式表示在仿真器中，仿真器根据输入的射频晶体管的物理尺寸寻找到输入物理尺寸对应的空间区域，将物理尺寸带入该空间区域的解析表达式并调用该空间区域的解析参数完成对射频参数的仿真。

3.如权利要求1所述射频晶体管射频参数模型建立方法，其特征在于：所述物理尺寸包括：栅宽(W)、栅长(L)和栅数量(NF)。

4.如权利要求1所述射频晶体管射频参数模型建立方法，其特征在于:所述空间区域是以射频晶体管栅长为长(L)，栅宽为宽(W)，栅数量(NF)为高的为长方体。

5.如权利要求1所述射频晶体管射频参数模型建立方法，其特征在于：每个空间区域射频参数的解析表达式如下；

……

。

6.如权利要求1所述射频晶体管射频参数模型建立方法，其特征在于：射频参数包括电阻参数、电容参数和电感参数。

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