射頻場效應晶體管交流小信號建模技術的研究

顧小軍 南京恒電電子有限公司

射頻場效應晶體管交流小信號建模技術的研究

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本文提出了一種新型金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）器件的小信號等效電路結構，并提取了等效電路結構的元件參數值。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，生成可應用于射頻微波領域的場效應晶體管的高頻小信號器件模型；其次，將轉化成的器件模型編譯成為高頻仿真軟件ADS的模型，并進行模塊的S參數仿真；最后，將模擬結果與測試數據的差異進行比較，分析了所產生的器件模型的誤差，論證內置小信號模型的良好性能。

交流小信號模型 建模 S參數仿真

近年來，由于無線通信市場的快速發展，消費者對低功耗和低成本接收器芯片組的需求量日益增長。采用CMOS技術來實現射頻集成電路的技術已成為全球研究的主流。但是，由于MOSFET的響應速度慢、截止頻率低、噪聲大、以及襯底高損耗的缺點，RFIC的應用仍面臨諸多挑戰。同時，仿真軟件中的MOSFET器件還存在一些不足，如高頻小信號模型不完整，高頻噪聲模型不準確，高頻參數離散化等。因此，提高設備的高頻噪聲模型的準確性也變的尤為重要。為了改善MOSFET開關的小信號模型，解決高頻和小信號參數的離散問題，本文提出了一種新的等效電路結構，使最終的模擬S參數更接近實測數據，為RFIC使用MOSFET奠定了良好的基礎。

1 電路設計

對于電路設計，器件的小信號模型的精密度從根本上決定了最終系統的精度。準確的器件模型用于快速設計電路，優化電路設計，縮短設計周期是非常有必要的。對于小型交換信號模型而言，設備模型的結構從根本上決定了模型的準確性。

1.1 等效電路結構的優化

半導體器件的本質是非線性的，但等效模型又可分為小信號等效電路模型和大信號非線性等效性電路模型。小信號模型主要用于分析器件性能以及反向工藝的設計、設計小信號放大器；而大信號模型則主要可以準確描述器件的非線性特性，是設計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模型的關鍵。因此，為了使建立的模型能夠準確反映其特性，應精確地對交流小信號進行建模。對器件的等效電路模型進行了改進和改進，最終得到了一個精確的小信號模型。如圖1所示。

圖1 （a）文獻中結構

圖1 （b）提出的結構

圖1（a）中的小信號模型的等效電路結構被廣泛應用。VanderZiel模型，Fukui模型和Podell模型都基于這種結構。這種小信號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，這部分參數值不但被器件的結構，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程、金屬與晶體之間的相互連接等影響，盡管模型簡潔而有效且達到了高精度，但并不是所有的S參數都能提供精確的擬合，特別是在較高的頻率（5GHz以上），測試數據S12的實際部分變得非常小。使用圖1（a）的小信號模型結構對擬合的S12的實部是零；所提出的結構是通過加入Rgd得到的，這個電阻使得小信號等效電路圖擬合成的S參數更適合于測試數據。

1.2 本征元件參數值的提取

使用標準的開路、短路測試結構獲得了焊盤寄生效應和互連寄生效應。剝離寄生參數后，最終得到固有的Y參數。這些測試數據通過MATLAB編程獲得小信號等效電路元件參數。

在器件建模軟件IC-CAP2008中，改進的等效電路結構和提取器件參數值被編譯生成FET小信號器件模型，將生成的模型嵌入ADS仿真工具中，調用S參數模擬器，驗證小信號模型。

2 仿真結果及分析

根據小信號模型的小參數進行模擬，使用誤差公式可以計算出模擬數據與測試數據之間的差異。為仿真得到參數，最后，兩者的相對誤差小于3%，說明小信號模型的性能良好。

3 結語

本文提出了一種新穎的小信號等效電路結構，可用于MOSFET器件。通過引入柵極和漏極的電阻分量，將等效電路的S參數擬合得更接近實測的S參數，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生成以下元件參數供RF和微波器件模型使用。調用S參數模擬器來比較模擬和測試數據之間的差異，器件模型的誤差分析表明了所構建的小信號模型的良好性能。

[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。