射频电路之电晶体非线性模型建立.doc

射頻電路之電晶體非線性模型建立 Nonlinear Model For RF CMOS IC 編號：M25-90A-09 指導教授：周復芳 交通大學電信研究所教授 電話：035712121-54545 E-mail:crist@.tw 設計者： 張東勝、蕭旭峰 碩士班研究生 電話：035712121-54591 E-mail:jerry_chang@.tw 一、中文摘要(及關鍵字) 本計劃製作一些MOS Testkey，擬建立一晶圓代工廠沒有提供之CMOS 非線性模型，其將用於功率放大器設計與模擬，使其製作晶片之量測值將較小信號線性模型準確。 Keyword: CMOS，Nonlinear Model，Power Amplifier，Angelov Model，Curve Fitting 計劃緣由與目的 近年來由於無線通訊的快速發展，低耗電、低價位及高可攜性的無線通訊設備需求量大增。而CMOS製程因為其具有低價位、高整合度及完整的設計的流程，因此越來越多RF電路都傾向以CMOS來實現。 由於目前晶圓廠所提供的只有CMOS小信號線性模型 (Small-signal Model)，相較於功率放大器的大信號與非線性而言，若使用CMOS Small-signal model 設計功率放大器 (Power Amplifier)，所製作晶片之量測值與設計模擬值誤差頗大。 因此我們將建立一電晶體非線性模型 (CMOS Nonlinear Model)，將其應用於功率放大器 (PA) 之設計與模擬，使其製作晶片之量測值與設計模擬值更接近。 研究方法與成果 3.1模型建立原理與方法 電晶體模型一般可分成二大類，一為物理模型 (Physical Model)，如 BSIM Model；另一為經驗模型 (Empirical Model)，如 Curtice Moddel、Statz Model、Angelov Model。 建立Empirical Model就必須製作Testkey，量測其I-V Curve S-Parameter，運用參數相互轉換，將等效電路中的外部電阻及電感效應從S-Parameter淬取出來。 Angelov Model提供一適當之數學模型，將量測值與淬取值用數學模型去擬合(Curve Fitting)，可得到一CMOS Nonlinear Model。 3.2電晶體等效電路架構 3.3模擬 Fig 1. MOSFET small-signal equivalent circuit 虛線內部為Bias dependent elements，虛線外部電阻及電感為Bias independent elements，Cdd 和Rdd若Source接地則可忽略。 3.2模擬 本次模擬 MOS的 Length=0.5um、 Width=100umVgs=1V、Vds=1.5V，因為部分的 MOS Testkey無法正常動作，出現異常現象。故使用上述尺寸模擬，以配合PA設計之需求，其他Testkey之數據過於繁多且相似，所以只顯示一組數據做代表及說明過程。下圖為 I-V Curve 和S-Parameter 模擬數據。 Fig 2. Simulation of Drain Current versus Bias Curves Fig 3. Simulation of S11, S22 Fig 4. Simulation of S12 Fig 5. Simulation of S21 3.3佈局 本次佈局方式乃參照TSMC 的Layout Rule所畫，並考量可測性與方便性，TSMC 0.25um 1P4M 製程提供了2.5V和 3.3V工作電壓，又提供了Triple-Well製程，我們也都做一些設計， Fig 6. MOS Layout View without test pad Fig 7. MOS Layout View with test pad 實測結果 本次量測乃是利用晶片中心 (CIC) 現有之設備進行量測，使用設備為網路分析儀 (Network Analyzer)、Probe Station、探針等… 量測結果在頻率15GHz後並不太正