一种高效硅基毫米波芯片及设计方法技术

本发明专利技术公开了一种高效硅基毫米波芯片的设计方法，包括以下步骤：一)、系统设计指标(102)；二)、有源电路设计；三)、无源匹配网络设计；四)、设计规则&原理图版图一致性检查(120)；五)、流片(122)。通过上述方式，本发明专利技术分别对有源区域进行寄生参数提取，对无源区域进行电磁场仿真，提高了电路仿真性能的准确精度，提升了设计效率；本发明专利技术在不改变电磁场仿真精度的条件下，分别对电容自身寄生效应进行建模和对版图中所有的电感、互连线进行建模，对版图的电磁场模型进行优化，极大地提升了设计效率；本发明专利技术可适用于当前流行的硅基工艺下的毫米波芯片。

【技术实现步骤摘要】
一种高效硅基毫米波芯片及设计方法
本专利技术涉及电子电路设计
，特别是涉及一种高效硅基毫米波芯片的设计方法。
技术介绍
第五代移动通信技术(5G)包括低频段和高频段(毫米波)。目前低频段已经进入商用阶段，但毫米波频段的商用目前仍在试用阶段。众所周知，毫米波频段是微波向高频的拓展，一般毫米波的波长大约在1～10毫米之间。更高的工作频率会使得毫米波芯片具有更富裕的带宽且毫米波器件会拥有更小的尺寸。这些优势可以使得5G技术不仅提供更快速的网络传输速率，同时可以应用的5G场景也更加丰富，比如网络医疗、网络教育等。目前世界各国监管机构的广泛关注的毫米波频段包括了24GHz至28GHz、37GHz至40GHz以及64GHz至71GHz。在此背景下，毫米波频段的集成电路芯片设计也成为了全球研究的焦点。毫米波芯片具有的工作带宽较宽、集成度高以及多普勒效应明显等优势可广泛应用于雷达探测、无人驾驶避障等领域，但毫米波的诸多优势也会相应带来一定的缺陷，如毫米波芯片工作频率高，当信号在空气传播过程中衰减会十分严重，毫米波芯片的集成度高，这需要在电路设计过程中花费更多时间成本，同时对器件加工的工艺精度要求更加苛刻。因此，毫米波芯片的设计也变得更加具有挑战性，最传统的射频芯片设计还会采用分立元件搭建模块，后来随着微波单片技术电路的突破，射频芯片能够将所有的无源器件、有源器件以及微带线等全部集成在半导体衬底上，大大提高了设计效率。但是该设计方法并不适用于毫米波芯片设计。主要原因是毫米波芯片的工作波长比微波短很多，毫米波芯片内部的匹配元件尺寸和工作波长相比已经不能忽略，因此集总参数的匹配网络已经无法适用于毫米波电路。在毫米波频段，芯片多采用分布式匹配电路，考虑元件之间的相互耦合，将其等效为传输线才能更加精确得到实际电路工作的仿真结果。而若电路模型出现偏差，实际生产的毫米波芯片将会与仿真出现极大的偏差而无法工作。因此，考虑一种准确、高效的毫米波芯片设计方法变得十分有意义。目前毫米波芯片可使用氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)等工艺制造。这些工艺击穿电压高，衬底损耗小，芯片可以实现很好的性能，但造价昂贵。而硅基半导体材料具有功耗低、集成度高、可大规模生产以及成本低等优点，这些优良的表现将会更适用于第五代移动通信的应用中。因此，毫米波频段将更加关注硅基毫米波芯片的设计方法。一般的射频芯片设计流程如图1所示，主要包括系统设计指标(202)、参照工艺库文件(203)进行射频电路设计(204)、电路原理图仿真(206)、参照设计规则文件(205)进行版图设计(208)、参照提取寄生文件(207)进行寄生参数提取(208)、电路版图后仿真(212)、设计规则&原理图版图一致性检查(214)、流片(216)几个步骤。寄生参数提取将提取版图中存在的寄生电容、电感和寄生损耗，可以更加精确地得到版图仿真结果。但是随着频率的逐渐升高，在毫米波工作的芯片若再使用该流程进行设计，仿真结果将不再精确。具体原因是频率的增加会导致寄生参数数值的增加，该寄生参数对毫米波电路的影响级别是不可忽略的，更直观的表现在毫米波芯片有源区晶体管内部的寄生电容将显著影响电路的稳定性、输出功率。因此在毫米波芯片设计中，寄生参数的考虑会更加重视。但若仅仅考虑寄生参数的影响，仍然无法完成好的毫米波芯片设计。因为毫米波芯片中的匹配元件已经不能视为普通的集总参数元件。该影响将直接表现在匹配元件的特性上，即随着寄生参数对电路的影响，电感可能呈现容性，电容可能呈现感性，已经不能达到阻抗匹配的效果。在毫米波频段，我们通常采用分布式参数进行匹配，将电路中的互连线不单视为普通的电感，而是利用传输线进行建模。利用传输线得到的版图数学模型相对会更加准确。射频芯片大多只考虑每个单独元件的寄生效应，但毫米波频段需要考虑整个版图中所有元件之间的耦合效应，模型复杂度的增加大大提升了设计难度、精度和时间。特别是对于硅基半导体工艺而言，工作频率的提升会使得原本性能表现一般的硅基器件在输出功率、信号增益等方面更加难以胜任性能要求，若想实现性能优良的硅基毫米波芯片，对仿真的精确度要求以及设计要求会更加苛刻。因此，本专利技术为了解决上述设计问题而完成的，其目的在于研究适用于硅基毫米波芯片的设计方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高效硅基毫米波芯片的设计方法，能够适用于各个毫米波芯片模块，提高了电路仿真结果的精确性，节省了仿真时间，提高了设计效率；无源区域的匹配电路设计和有源区域的晶体管设计互不干扰影响，迭代过程可大幅度缩减，进一步提升了设计效率。为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是：提供一种高效硅基毫米波芯片的设计方法，包括以下步骤：一)、系统设计指标(102)；二)、有源电路设计；三)、无源匹配网络设计；四)、设计规则&原理图版图一致性检查(120)；五)、流片(122)。进一步的是，步骤一)所述的系统设计指标(102)包括芯片的工作频率、信号增益、输入输出驻波比、输出功率、带宽、稳定性、芯片尺寸等。进一步的是，步骤二)所述的有源电路设计依次包括毫米波有源电路原理图设计(104)、有源区版图设计(106)、寄生参数提取(108)、有源区电路仿真结果(110)。进一步的是，步骤二)所述的寄生参数提取(108)依赖于寄生参数文件(107)，所述的有源区版图设计(106)需要依照设计规则文件(105)，所述的有源区电路设计(104)需要依照工艺库文件(103)。进一步的是，步骤二)所述的有源区电路设计(104)过程需要进行迭代优化寄生参数使得有源区电路仿真结果(110)。进一步的是，步骤三)所述的无源匹配网络设计依次包括无源匹配网络原理图设计(112)，无源匹配网络版图设计(114)、匹配网络电磁场仿真(116)、匹配网络版图后仿真(118)。进一步的是，步骤三)所述的无源匹配网络原理图设计(112)需要依照工艺库文件(103)，所述的无源匹配网络版图设计(114)需要依照设计规则文件(105)，所述的匹配网络电磁场仿真(116)依赖于工艺衬底文件(109)。进一步的是，步骤三)所述的匹配网络电路设计(112)需要进行迭代优化版图布局使得匹配网络版图后仿真结果(118)。进一步的是，步骤三)在不改变电磁场仿真精度的条件下，利用电磁场仿真分别对电容进行建模以及整体对电感和互连线进行建模，同时对版图的电磁场模型做了简化。进一步的是，步骤四)设计规则检查以及原理图版图一致性检查(120)保证了芯片满足硅基工艺下的设计要求，同时满足了所要步骤五)流片(122)的版图与仿真的原理图保持一致。一种高效硅基毫米波芯片，其特征在于包括上述权利要求1-10的有源区电路和无源区匹配电路。进一步的是，所述有源电路包括共源晶体管(303)、共栅晶体管(301)、电阻(305)和匹配网络(302、304、306、308)，信号从共源晶体管(303)栅极流入，从共栅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高效硅基毫米波芯片的设计方法，其特征在于包括以下步骤：/n一)、系统设计指标(102)；/n二)、有源电路设计；/n三)、无源匹配网络设计；/n四)、设计规则&原理图版图一致性检查(120)；/n五)、流片(122)。/n

【技术特征摘要】
1.一种高效硅基毫米波芯片的设计方法，其特征在于包括以下步骤：
一)、系统设计指标(102)；
二)、有源电路设计；
三)、无源匹配网络设计；
四)、设计规则&原理图版图一致性检查(120)；
五)、流片(122)。


2.根据权利要求1所述的一种高效硅基毫米波芯片的设计方法，其特征在于：步骤一)所述的系统设计指标(102)包括芯片的工作频率、信号增益、输入输出驻波比、输出功率、带宽、稳定性、芯片尺寸等。


3.根据权利要求1所述的一种高效硅基毫米波芯片的设计方法，其特征在于：步骤二)所述的有源电路设计依次包括毫米波有源电路原理图设计(104)、有源区版图设计(106)、寄生参数提取(108)、有源区电路仿真结果(110)。


4.根据权利要求3所述的一种高效硅基毫米波芯片的设计方法，其特征在于：步骤二)所述的寄生参数提取(108)依赖于寄生参数文件(107)，所述的有源区版图设计(106)需要依照设计规则文件(105)，所述的有源区电路设计(104)需要依照工艺库文件(103)。


5.根据权利要求3所述的一种高效硅基毫米波芯片的设计方法，其特征在于：步骤二)所述的有源区电路设计(104)过程需要进行迭代优化寄生参数使得有源区电路仿真结果(110)。


6.根据权利要求1所述的一种高效硅基毫米波芯片的设计方法，其特征在于：步骤三)所述的无源匹配网络设计依次包括无源匹配网络原理图设计(112)，无源匹配网络版图设计(114)、匹配网络电磁场仿真(116)、匹配网络版图后仿真(118)。


7.根据权利要求6所述的一种高效硅基毫米波芯片的设计方法，其特征在于：步骤三)所述的无源匹配网络原理图设计(112)需要依照工艺库文件(103)，所述的无源匹配网络版图设计(114)需要依照设计规则文件(105)，所述的匹配网络电磁场仿真(116)依赖于工艺衬底文件(109)。


8.根据权利要求6所述的一种高效硅基毫米波芯片的设计方...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵涤燹，尤肖虎，杨孟儒，张成军，
申请(专利权)人：成都天锐星通科技有限公司，东南大学，
类型：发明
国别省市：四川;51