0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看威廉希尔官方网站 视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

博士真情分享:电磁场仿真与片上电感的优化

3X1L_gh_f97d258 来源:未知 作者:胡薇 2018-08-22 17:04 次阅读

大家好,我是贾海昆,非常高兴有这样的机会来跟大家分享一些电磁场仿真的相关经验。我先简单的介绍一下自己。我2009年本科毕业,2015年博士毕业,跟着王志华老师做毫米波集成电路设计的课题。我平常会写一些电路设计的威廉希尔官方网站 文章,发在我个人的公众号和知乎专栏上面,有兴趣的朋友可以去关注一下。这次的讲稿整理后应该也会发上去。

今天我主要想跟大家分享电磁场仿真和毫米波芯片设计的实际经验,都是我平常做设计的一些思考和总结,希望对大家有所启发。

这张图是我博士和博后期间设计的芯片,大部分都是毫米波电路,有模块有系统。四五年的时间,过程中有个很深刻的感觉:那就是随着电路做的越来越多,我对毫米波电路设计的理解也在一直加深。

举两个例子。一是第一版芯片我们几乎只用传输线,为什么呢?因为传输线简单,仿真不容易出错,设计迭代也简单。但实际设计就受到了很大的限制。后来有了一些经验,开始用电感了。再后来,开始大量使用变压器。第二个例子是变压器。最早用变压器的时候,变压器对我就是一个黑盒子,大概仿一个变压器出来,在外面再额外加传输线去做匹配。这样也不是不行。但是不够好。后来才开始理解变压器内部特性,它是有电感量有耦合的。再后来,就发现光考虑电感和耦合还不行,还得把寄生电容加进去。今天再来看片上变压器的话,它有多个参数,每个参数有自己的作用,每个参数都应该被优化。在设计时,我要先知道自己需要什么样的变压器,然后电磁场工具是一个辅助手段,帮我找到我想要的变压器。

这是这次分享的主要内容,电磁场仿真流程,S参数的理解和处理,片上电感的优化,以及最后的总结。

近几年发现电磁场仿真用的越来越广泛了,绝对不仅仅使用在毫米波频段,在射频频段也大量用到了电磁场工具。比如说2017年ISSCC的功率放大器,8篇论文里至少有6篇需要用到电磁场仿真工具。这是其中的两个电路,可以看到用到了大量的变压器和传输线,据我所知,代工厂是没有提供变压器的模型的。如果你不会使用电磁场仿真,那变压器就没法使用了。所以说,电磁场仿真是射频毫米波芯片设计者的必备技能包,否则会处处受限。

选择合适的电磁场仿真工具主要可以从这几个方面来考虑。

第一个,我们要仿的无源结构的频率和尺寸。如果片上元件的话,HFSS、EMX、ADS、Sonnet、Helic都是不错的选择。而封装和PCB,你可能要选择SIWave、ADS、Q3D等等。我曾经对比我SIwave和HFSS 3D Layout仿真同样一个高速封装,得到差不多的结果,一个用了20分钟,一个快9个小时。

第二个是灵活性,功能是否能否满足需求。

第三个,易用性,对EDA平台的支持。还有对工艺的支持。以前我们用65nm的工艺,都是根据文档自己写的tech文件。现在的先进工艺估计不行了,一是代工厂很多关键信息加密了,二是他有一些layout dependent的参数。比如你花了一条1um的线,最后做出来可能不是1um,代工厂会做一些调整。现在一般是你买了哪家的电磁场软件,他已经跟代工厂联系,把tech文件写好了,这些都考虑在内。

第四个是软件使用的仿真原理。原理部分就不细讲了,有兴趣的可以去看看我公众号的一篇文章。仿真器背后采用了什么假设很关键,像EMX和Helic,他们只能仿真层状结构,而且假设衬底地面时无限大的理想地平面,这个一般没有问题,但假如你的衬底非常薄,仿出来有可能就不对了。

现在很多芯片都是倒封装,这样芯片上方也会有一层金属。那用EMX和HELIC仿真的话,这个是没有考虑在内的。我用HFSS建立模型试过一次,假如距离低于50um的话,对电感量会有10%左右的影响。我问过我们用的软件的威廉希尔官方网站 支持这个问题,他说有些客户的确会验证一下封装的影响,这需要手动改tech文件,在芯片上面再加一层金属层,实际操作起来会比较麻烦。

主流的电磁场仿真工具其实很多。这里面估计比较流行的是前三个。HFSS功能最灵活和强大,理论上什么结构都能仿,但是对EDA平台支持的一般。学校里面用的比较多。EMX/HELIC是专门为IC设计优化的,易用性比较好。

好,现在我们来说一下电磁场仿真的流程,这里主要以HFSS为例。EMX的流程更加简单,很多地方软件已经替设计者考虑了。

几乎任何一款电磁场仿真软件的求解流程都是这三步。第一是前处理,包括建立结构、定义材料、设置端口和边界条件等。第二是把材料划分成细小的网格、然后求解电磁场的微分方程或者积分方程,求解各处的场强。但我们电路设计者是没法直接把场强用在电路设计之中的,所以还需要进行后处理。后处理包括导出S参数、计算电磁场分布、辐射等等。

现在来看看如何建立结构。首先是边界条件,我们只能仿真一个有限空间的内容,所以一般会给空气盒子设置辐射边界,给衬底底面设置理想导体边界。第二是对介质层进行等效,可以合理减少计算资源的消耗。这里特别要注意电容,因为做介质层等效的时候很容易改变电容值。右边上图是原始的介质层,下图是等效过后的,可以看到,MIM电容中间所在的层我是没有做等效的。对于通孔我们一般会合并,这一步在版图里完成。但要注意,通孔中是没有横向电流的,如果你等效后通孔中走横向电流,那结果会有一点差异。最后是地平面,为了满足DRC规则,我们会在地平面上挖空,这些孔会导致仿真比较慢,所以可以等效为整个平板,把电导率适当的降低。

在EMX里这些软件都已经帮忙做好了,所以不需要考虑。

现在来看端口设置。这一步尤其重要,电磁场仿真的结果是否合理,很大程度上取决于端口设置是否合理。在HFSS里面有两种端口,集中端口和波端口。但我们几乎只用集中端口。集中端口提供了什么样的激励呢?从这个图可以看出,他就是一个从上边沿到下边缘整个面上均匀分布的电场。我们在设置任何一个端口的时候,都需要想想现实中的场强是否会真的这样分布。所以这一条就很好理解了。假如有很长一个端口,仿真器会假设整个端口电场都是均匀的,但实际上他会呈现一定的分布,这样与实际不符,计算结果就不对了。EMX和ADS同样有这个问题,假如要在长边上加激励,他们都建议在长边上引出一条短边,把激励加在短边上。

我曾经用HFSS仿过一个电感,结果出来非常奇怪,后来一检查,发现集中端口面与金属重叠了,这样他强制认为金属横截面内也有均匀的场,那仿出来结果肯定不对了。

最后一条又是HFSS需要考虑EMX不需要过多考虑的,那就是HFSS中必须给集中端口提供一个回流通路。所以我们仿电感一般都会在外面加一圈地平面。

网格划分和求解到没有太多可以注意的。第一、所有金属选择solve inside,否则Q值不准。它默认是不选的。第二,选Driven terminal的求解方式。第三、solution frequency,即划分网格的频率,倾向于把这个频率设高一点,这样网格划分的细致,结果比较准。这样仿完就可以导出S参数了。

这里总结一下HFSS电感仿真的Check list,可以每次设置完都养成习惯检查一遍。模型尺寸合适、辐射边界和理想导体边界、所有金属都有solve inside、端口有回流途径、选择低阶的basis函数。这里画出了常见的电感仿真端口的加法。

这个图里是我之前仿过的一些无源器件结构图。衬底跟空气盒子都是透明的,所以看不到。那圈蓝色的金属是地平面,用来提供回流路径的。这三个频率逐渐升高。有一个有意思的规律是,频率越低,结构可以做的越复杂。

假如我们现在得到了S参数,那是不是就可以把S参数用在仿真里面了。怎么用呢?一种方法就是把S参数当成一个黑盒子。我最早就是这样做的。我需要一个单转差的Balun,所以我大致仿了一个变压器,然后发现输入不匹配,额外再加三段传输线做输入匹配。这样也不是不能设计。但存在什么问题?第一、额外的匹配消耗额外的面积,加大损耗。第二、这样不了解S参数内部的结构,信心会差一点。第三、你这没法做理论分析,没法写论文。第四、把S参数当作黑盒子放弃了很多的可能性,本来变压器是可以做宽带匹配的,你这样黑盒子就没法优化了。你有一个好的想法,但很有可能,这里不够优化、那里不够优化,最后你的想法带来的好性能完全被这些地方给抵消了。

所以我们说,拿到一个S参数后,并不是你就直接把他丢进仿真器里了,还需要理解S参数。

怎么理解呢?第一个方法就是把它转化为集总模型。这里给出了电感集总模型和变压器集总模型的例子。

对于HFSS的用户,这步转换只好自己来完成啦。这是两个拟合的例子,原理很简单,你同时仿S参数和你的模型,设置一些目标,让仿真器优化参数来达到目标。对与传输线的仿真,可以使用ADS中的物理传输线模型,很好用。拟合完还可以自由改变传输线的长度,相当于一个scalable的模型。右图是变压器的拟合,这里我用了20个目标。

拟合目标的选择需要进行一些考虑。比如说两端口S参数,实部虚部一共8个参数,你可以用S参数拟合,也可以用Y参数拟合。但我觉得应该选择对电路影响大的物理量来拟合。举个例子,我们要拟合输入匹配,我可以用幅度来拟合,也可以取dB后来拟合。但幅度明显比较好,-30dB和-40dB的return loss对电路没影响,但从数值上来看有30%的差别。取dB的操作相当于放大了小信号部分的权重。

EMX提供一些预设的模型拟合。但也有很大局限性。如果两三个器件在一起,他就拟合不了了。

用S参数仿真和用物理集总模型仿真各有优势。集中模型仿真稳定性好、速度快。无源性能得到保证。没有漏电的问题。但用物理集总模型仿真有一个需要很注意的地方。我们在拟合的时候,实际上损失了一些高阶的效应,比如两个电感之间的微弱耦合。一般没问题,但有些场合这还影响挺严重的。比如说两个不同频率的时钟,时钟信号可能通过无源器件耦合造成串扰,直接转换成Jitter,这样对隔离要求很高,微弱的耦合也有影响。如果用集中模型的话,很难把这么微弱的耦合拟合出来。

所以最终大家会采用S参数仿一个整体的,把各种效应都包含进来。但S参数仿真经常遇到一些头疼的问题。有一些推荐的设置和解决方法。这里先不讲了。

好,现在我们得到了集总模型,但是对于理解依然过于复杂了。前面的变压器有30个参数,我在理论计算时不可能都考虑进去的。那我们怎么更直观的理解模型的S参数?

我这里以电感为例。假如我们拿到一个电感的S参数,我们知道可以采用这两个公式去计算电感值和Q值。得到的典型曲线长这个样子。那现在问题来了。这个计算公式背后假设了什么样的模型?这个电感感值是随频率变化的,那我们应该使用什么频率的感值?工作频率还是DC频率?那这个电感可不可以工作在自谐振频率之上?

第一个问题的答案在这里。我觉得L这个公式背后实际上是假设了电感和电阻串联的模型。Y参数,2端口短路,虚部是感性,实部是阻性。但实际上这个公式过于简略了,完全忽略了电容。只有在频率远低于自谐振频率时才成立。一个最适合理论计算和设计分析的模型是下面这个。所以你看虚部,实际看到的是电感和电容共同的作用。如果我们用Z参数,会算出什么呢?Z参数,2端口开路。当频率远低于谐振频率时,电感忽略,Z参数基本上计算的就是电感的对地寄生电容。

下面我们再来回到后面两个问题。假如我们把电感用于谐振腔。电感实际上是与两部分电容之和来进行谐振,一部分是电感本身的寄生,另一部分才是负载电容。所以,在这种情况下,如果工作频率高于自谐振频率,说明电感在这个频率已经没有吸收电容的空间了。假如你需要容纳的负载电容小一点,那自谐振频率就可以跟工作频率接近一点。假如使用工作频率的电感值进行理论计算,得到的谐振频率应该是相同的。但是,你会高估谐振腔的幅度。谐振腔的幅度等于2pifL。这条曲线工作频率出的值不都是感值,相当于你把一部分容性当成了感性,所以会高估幅度。

这又是我以前遇到过的一个例子。我要仿这样一个LCLC的网络。我先用理想元件仿真,得到我需要的电感量,然后仿了一个电感,用这个公式算的电感量跟我所需的电感量一样。但一代近电路,发现频率降了好多。为什么呢?在用这个公式计算Y参数时,二端口是短路的,所以那一边的电容被忽略掉了。但在LCLC网络里,这一部分电容对电路也有影响。

再有一个就是,相同的电感,用差分和单端的方式观察,结构会显著的不同。DC电感值差不多,但差分的自谐振频率高很多,Q值也要高很多。这是为什么呢?是否说明应尽可能使用差分形式的电感?我们后面会继续提到。有一点启示时,你在从S参数中提取物理量时应该与实际的使用条件一致。

这里总结一下从S参数到分析模型。分析模型是我自己起的一个名字,跟物理模型区分。我自己在用电感做设计的时候,一般采用这样的过程,第一步先拿带电容的分析模型对电路进行仿真和优化。确定我需要的电感值Q值和能容忍的C。因为你可以自己随便设这些值,不需要用HFSS迭代,所以这一步仿真速度会比较快。第二步才是用电磁场仿真仿电感,通过S参数提取出LC和Q。总之一句话,我们要先知道需要什么样的电感,电磁场仿真工具只是找到它的工具。

接下来,我会把这些理解应用到电感的版图优化里。这也是我最近遇到的一个例子。我觉得整个逻辑挺有趣的,而且很有启发性,所以跟大家分享一下。

在看具体例子之前先说一些宏观的。电感优化的关键因素有哪些?我觉得有下面四个方面。第一步是理解电路,我们到底要求电感的哪个参数?比如说用于扩展带宽的电感Q值就不重要,反正最后还要串一个电阻,C比较重要。而在VCO和谐振腔里,Q值就非常重要了。只要先知道了哪个重要才知道怎么优化是吧。第二部是理解寄生的来源,寄生主要是由谁贡献。第三步是要理解工艺的金属选项,比如每层金属有多厚啊,层与层的间距啊,是侧边寄生比较大还是对地寄生比较大。第四步很有趣,电感本身是个集中元件,但你在优化的时候,需要把它当成分布式来处理。后面的例子可以很清楚的看到这一点。

好,现在来看具体的例子。这是某个工艺下一个很普通的对称式差分电感,用顶层金属绕线,一共七圈。2.1nH/19.1G的自谐振频率,5.5的Q值。简单的想想,这个电感有什么问题呢?第一、他绕了七圈,所以最外圈和最内圈的耦合很弱,因此单位长度走线的电感值比较小,所以损耗增加。第二、顶层金属一般比较厚,这里排的很密实,走线侧边电容大,所以降低了自谐振频率。怎么解决呢?一个简单的方法,把线间距拉大。但这样的副作用是,外圈和内圈耦合更弱了,电感密度小,走线变长,损耗又变大。那还没有其他方法?

好,这里我做了第一步的改进。充分利用工艺提供的金属层。现在电感用顶层和次顶层走线。他们的厚度是相同的。大家想像一下立体画面。第二四六圈在立体图上是凹陷下去的,是吧,所以,走线的边缘电容减小了,很直接的好处就是谐振频率从19.1G提高到了26.8G,峰值Q也从5.5提高到了6.8。面积没变、电感密度没变。像是白得来的好处。

这一页我有进行了第二步的优化。还是两层金属,相同的面积、相同的电感量。但自谐振频率从26.8进一步提高到了31.5,Q值从6.8提高到了7.6。没有代价,性能全方位提高。这里其实是优化了走线的方式。这个图没看清也先别急。下一页有更清楚的解释。

这一页我把两个电感画到了一起。先看左边的这个。如果我们把半圈线圈当成一个小电感,那么从正端出发最外面的这半圈电感,它往里紧贴着的半圈电感是属于负端的。所以他们之间的寄生电容实际上是跨接在正端和负端之间。那右图中的双重走线呢?通过改变走线方式,从正端出发,第一个半圈电感的内圈半圈电感还是属于正端,所以这个寄生电容的连接位置改变了。大家想想弥勒效应,哪种情况下这个电容对自谐振的影响大?明显是普通走线。极端情况下,左图的这个电容要乘以二,而右图的电容可以忽略掉。所以说性能的提高来源于寄生电容的重新分布。

这里把差分电感画成了分布的形式。从两侧朝中心虚地点,寄生电容的影响越来越小。所以我们在绕电感时,也应该尽量把它往中心推。

这张图我把电感重新花了一下,大家下来可以仔细看看线是怎么走的。能看的更清楚。

下一步优化呢,就是把走线压的更密实,这样外圈内圈之间耦合加强,电感密度变大了。面积从41x41减小到了35x35,但也付出了少量自谐振频率的Q的代价。这实际上已经是个双重走线的差分堆叠电感了。

最后一步,我把上一个电感里的一些弯线给拉直了。最终电感量有所下降,自谐振频率提升到33.9,Q提升到7.8。假如把正方形变成八变形,Q值还能提高0.5左右。

这里做了一些汇总。大家可以看到,我们经过了这些优化后,电感的性能是全方位优于前面没有优化的电感的。不需要折中。付出的代价就是知识。

这里给一个毫米波的例子。毫米波电感一般圈数比较少,所以优化空间小。但依然是有效的。我曾经做的一个设计,就刻意把电感连线的接头做细了。这样可以减小关键部位的寄生电容。中心的部分可以适当的做出,减小电阻。因为不同位置的寄生电阻影响应该是一致的。

好了,我要说点心灵鸡汤了。这个例子实际上能给我们一些启示。第一个,就是选择合适层次的模型的力量。比如说电感的物理模型,够准确,但是太复杂了啊。我没法对着那个来形象化的理解电路。我宁愿损失一点精度,让我更好的分析和理解。繁中取简是工程师必须能做的。第二个启示就是,了解是优化的前提,了解的越深入优化的越好。假如我把电感当成一个黑盒子,不知道内部长什么样子,那肯定没法优化。只有把电感细化成每一小段走线,才能更好的优化。第三个启示是解决问题的方式,不止电感,任何问题都是。要先定位问题在哪儿。自谐振频率低、说明那是寄生电容大,那是寄生电容的主要来源,找到了来源,那好办了,我对症下药,把它推到不重要的地方去。

好了,今天分享的内容大概就到这里。由于时间关系,还有一些点没有讲到。希望以后还有机会更大家交流。希望今天的内容对大家能有一定的启发。

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 电感
    +关注

    关注

    54

    文章

    6136

    浏览量

    102302
  • 电磁场
    +关注

    关注

    0

    文章

    791

    浏览量

    47260

原文标题:电磁场仿真与片上电感的优化

文章出处:【微信号:gh_f97d2589983b,微信公众号:高速射频百花潭】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    电磁场理论视频教程

    电磁场理论视频教程“电磁场理论”视频-电磁波 “电磁场理论”视频-线极化波 “电磁场理论”视频-圆极化波[hide][/hide]
    发表于 07-09 23:21

    HFSS高频电磁场仿真应用

    本帖最后由 科研小木偶 于 2016-4-22 11:42 编辑 HFSS(High Frequency Structure Simulator)是世界上第一款商业化的3D结构电磁场仿真软件
    发表于 04-22 11:41

    电磁场分析软件Infolytica的强大功能

    求解器,可以求解HVDC极性反转、交直流混合电压等瞬态电场问题。 3) INFOLYTICA的电磁和热耦合仿真、混合维数电磁和热耦合能力、全自动优化设计、基于ActiveX的脚本编程
    发表于 06-27 06:10

    电磁场的左性电磁波是怎么产生的?

    “对称”是指物体相同部分有规律的重复,从而达到一种平衡。对称电磁场是研究电磁场在发展变化中保持着某些不变的性质,对称就是一个平衡点。但电磁场的对称性是不完全的。如电磁波,其电场矢量、
    发表于 08-05 07:50

    电磁场对IGBT模块并联的影响是什么?

    如何增加中间端子的杂散电感电磁场对IGBT模块并联的影响是什么?
    发表于 06-15 08:26

    什么是电磁场

    什么是电磁场?静电场是什么?静磁场是什么?
    发表于 09-27 06:05

    工程电磁场导论

    工程电磁场导论介绍了电磁场电磁波的发展历史、基本理论、基本概念、基本方法及其在现实生活中的
    发表于 09-16 12:27 0次下载
    工程<b class='flag-5'>电磁场</b>导论

    电磁场电磁波pdf

    电磁场电磁波有电磁场理论概述,矢量分析,静电场,静态场的应用,恒定电流等内容。
    发表于 10-30 17:27 427次下载
    <b class='flag-5'>电磁场</b>与<b class='flag-5'>电磁</b>波pdf

    电磁场的能量和动量

    电磁场的能量和动量:通过分析匀强磁场中平行板电容器内导体棒的运动,把电磁场的能量和动量这两个较为抽象的概念具体化.运用这一简单的模型分析并论证了电磁场具有能量
    发表于 10-26 13:43 31次下载

    电磁场电磁波教材

    电磁场电磁波教材:本书系统地描述了电磁场电磁波的基本规律。全书内容包括:静电场与恒定电场、静电场的解法、恒定磁场、时变
    发表于 02-11 12:28 330次下载
    <b class='flag-5'>电磁场</b>与<b class='flag-5'>电磁</b>波教材

    电磁场电磁波试题

    电磁场电磁波试题
    发表于 01-04 14:47 0次下载

    PCB电磁场如何求解

    本文旨在工程描述一些电磁场求解器基本概念和市场主流PCB仿真EDA软件,更为深入的学习可以参考计算电磁学相关资料。
    的头像 发表于 08-20 09:25 3589次阅读

    使用MATLAB实现电磁场仿真的报告免费下载

    本文档的主要内容详细设计的是使用MATLAB实现电磁场仿真的报告免费下载。
    发表于 01-21 15:33 36次下载
    使用MATLAB实现<b class='flag-5'>电磁场</b><b class='flag-5'>仿真</b>的报告免费下载

    射频微波器件的电磁场和电路协同仿真

    射频微波器件的电磁场和电路协同仿真说明。
    发表于 06-04 16:56 13次下载

    三大电磁场仿真软件有哪些

    电磁场仿真是一种利用计算机威廉希尔官方网站 来模拟和分析电磁场问题的方法。通过电磁场仿真软件,工程师可以在计算机上进行
    的头像 发表于 12-21 16:03 1.1w次阅读