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1SLIDE
青木 均
3. RFアナログCMOSモデリング技術
2SLIDE
Agenda
周波数領域の解析とSパラメータSパラメータとは
高確度にデバイスの高周波解析を行う為の技術De-embedding
BSIM3、BSIM4によるRFモデリング
RF回路検証の重要性
3SLIDE
Sパラメータを使用する理由
周波数領域における代表的なパラメータ
YZHは開放、短絡条件のため発振しやすく測定が困難である
概念的に理解しやすい
ベクトルネットワークアナライザにて測定が容易におこなえる
パラメータ変換が容易におこなえる
RF/μW BJT、MESFET、HEMTの設計、解析、評価において実績済
Sパラメータによる効果的な抽出方法が可能
リニアアンプ、低雑音アンプなどの設計、解析、評価に最適
フィルタ、マッチング回路などの設計、解析、評価に最適
自己発熱効果の解析、評価に応用可能
4SLIDE
Sパラメータとは?
Scattering Parameter(散乱パラメータ)
a1
b1
b2
a2
反射波
伝送波
伝送波
反射波
入射波
入射波
回路網
50 Ω75 Ω
50 Ω75 Ω
反射係数
伝送係数
Γ =b
a1
1
Γ =b
a2
2 a1 = 0a2 = 0
τ = ba
2
1 a2 = 0τ = b
a1
2 a1 = 0
5SLIDE
Sパラメータの関係式
S i ji : 出力ポートj : 入力ポート
b
b
s s
s s
a
a
1
2
11 12
21 22
1
2
⎡
⎣⎢⎤
⎦⎥ =
⎡
⎣⎢
⎤
⎦⎥⋅⎡
⎣⎢
⎤
⎦⎥
sb
a121
2
=
sb
a212
1
= sb
a222
2
=a2 = 0
a1 = 0
a1 = 0
sb
a111
1
=a2 = 0
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極座標
反射特性 伝送特性
無反射無伝送
全反射 利得=1
反射係数 伝送係数
位相=0 位相=0
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インピーダンス直交座標
+ R- R
+ jX
- jX
誘導性
容量性
負性抵抗
8SLIDE
スミスチャート
Z - Smith Y - Smith
定抵抗円定コンダクタンス円
定リアクタンス円 定サセプタンンス円
ΓL
L
L
Z
Z=
−
+
501
501
正規化インピーダンス 正規化アドミッタンス
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拡大スミスチャート
反射係数1のスミスチャート
負性抵抗領域
10SLIDE
雑音円(NF)と電力利得円(GA)
( )G
S
S
SS
S S S S
A
S
S
SS
=⋅ −
−− ⋅
− ⋅
⎛
⎝⎜⎜
⎞
⎠⎟⎟ ⋅ − ⋅
= ⋅ − ⋅
21
2 2
22
11
2
11
2
11 22 12 21
1
11
1
Γ
Δ ΓΓ
Γ
Δ
平面ΓS
GA=13 dB
GA=10 dB
GA=7 dB
( )NF F
Rn S opt
S opt
= +⋅ ⋅ −
− ⋅ +min
4
1 1
2
2 2
Γ Γ
Γ Γ
NF=1 dB
NF=2 dB
NF=3 dB
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DC測定において発振した経験は?
HP4142 / 4155 / 4156
DCパスにフェライトビーズを入れたら良くなったが何故?
何故、DC測定なのに発振するのか?
電圧源を電流源に変更したら良くなったが何故?
このデバイスを実際の回路で使用するときには大丈夫なのか?
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安定円(信号源側)
ΓS 平面
反射係数1のスミスチャート
6.1 GHz
5.1 GHz
0.1 GHz
( )Γ
Δ
Δ Δ
Δ
S
S S
S
S S
S
S S S S
−− ⋅
−=
−
= ⋅ − ⋅
11 22
11
2 212 21
11
2 2
11 22 12 21
* *
S11
2 20− >Δ の場合
安定円の外側が絶対安定領域
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Sパラメータから求められる他の一般的なパラメータ
( )
( )
VSWRS
S
RL S
Z ZS
S
Groupd phaserad S
d
IN O
=+−
= − ⋅
= ⋅+−
= −⋅
1
1
20
1
1
11
11
10 11
11
11
21
log
Delayω
定在波比
リターンロス
入力インピーダンス
群遅延
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Sパラメータを測定する測定器
ベクトルネットワークアナライザ(VNA)
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Probe Station
Cascade Microtech Inc.提供による
針の先端まで50オームを実現
16SLIDE
高周波用プローブ
GS ( Ground - Signal ) タイプ
G S
GSG ( Ground - Signal - Ground ) タイプ
G GS
2導体線路構造
コプレーナ線路構造
コプレーナ線路の電磁界解析例
この他には、SGS、GSGSG、SSGなどが用意
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システムに内在するベクトル誤差要因
順方向シグナルフローグラフ
a1
b1
b2
Sb
aM111
1
=S
b
aM212
1
=
EXF
EDF
ERF
1
ESF
S21A
S12A
S11AS22A ELF
ETF
ポート1基準面
ポート2基準面
EDF : 方向性による誤差ESF : ソースマッチによる誤差ERF : 反射のトラッキングによる誤差
EXF : アイソレーションによる誤差ELF : ロードマッチによる誤差ETF : 伝送のトラッキングによる誤差
逆方向についても同様の誤差が存在するので合計12タームの誤差
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2ポートキャリブレーションの種類
SOLT ( Short-Open-Load-Thru )
TRL ( Thru-Reflect-Line )
LRM ( Line-Reflect-Match )
LRRM ( Line-Reflect-Reflect-Match )
TRL on Silicon
高周波のウェハ測定の標準的なキャリブレーション
伝統的なキャリブレーション
導波管、高周波のマイクロストリップ系での標準的なキャリブレーション
シリコン基板上でのキャリブレーション
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キャリブレーション・スタンダード
Cascade Microtech Inc.提供による
スタンダード
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抽出システムの一例
21SLIDE
Agenda
周波数領域の解析とSパラメータSパラメータとは
高確度にデバイスの高周波解析を行う為の技術De-embedding
BSIM3、BSIM4によるRFモデリング
RF回路検証の重要性
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RF測定用に使われるTEGの一例
デバイス基準面
デバイス基準面
デバイスを特性化しやすいGSGパターンの設計が必要
基板GNDにも配慮する必要あり
校正基準面 校正基準面
23SLIDE
De-embeddingとは?
L=0.18um、W=20um
周波数:3GHz-6GHz
測定値 (De-embedding前)
De-embedding後
24SLIDE
De-embeddingの難しさ
負性抵抗
過剰de-embedding
25SLIDE
Agenda
周波数領域の解析とSパラメータSパラメータとは
高確度にデバイスの高周波解析を行う為の技術De-embedding
BSIM3、BSIM4によるRFモデリング
RF回路検証の重要性
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BSIM3 RFモデリングにおいて考慮すべき問題点
Gate Drain
Source Backgate
Gate-Drain間の配線容量
Poly-Si Gate抵抗
基板抵抗
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BSIM3 RF入力反射特性(ゲート抵抗の有無)
S11特性(ゲート抵抗有り)
de-embed後の測定値
シミュレーション値
S11特性(ゲート抵抗無し)
拡大図
シミュレーション値
de-embed後の測定値
周波数:100MHz - 20.1GHzGate : 1.5 V固定Drain : 1, 1.25, 1.5 V
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BSIM3 RF伝送特性(ゲート抵抗の有無)
S21振幅特性(ゲート抵抗有り)
de-embed後の測定値
シミュレーション値
S21振幅特性(ゲート抵抗無し)
周波数:100MHz - 20.1GHzGate : 1.5 V固定Drain : 1, 1.25, 1.5 V
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BSIM3 RF出力反射特性(基板抵抗の有無)
de-embed後の測定値
シミュレーション値
周波数:100MHz - 20.1GHzGate : 1.5 V固定Drain : 1, 1.25, 1.5 V
S22特性(基板抵抗有り) S22特性(基板抵抗無し)
30SLIDE
Large/Narrowのidvg特性
Large Narrow
測定値
シミュレーション値
Vg=0-5V , Vb=Vs=0V , Vd=0.1V
31SLIDE
Shortのidvg/gm_vs_vg特性
idvg gm_vs_vg
Vg=0-5V , Vb=Vs=0V , Vd=0.1V
Gmd id
d vg=
⋅⋅
32SLIDE
Shortのidvd/rout_vs_vd特性
Vg=1-3V , Vb=Vs=0V , Vd=0-5V
idvd rout_vs_vd
Routd vd
d id=
⋅⋅
Vg=1V
Vg=2V
Vg=3VVg=1V
Vg=2V
Vg=3V
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接合容量特性
[S] [Y] [C]
Vg=Vb=Vs=0V , Vd=-0.2~2V , Freq=350MHz
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ゲート-ソース間容量特性
[S] [Y] [C]
Vd=Vb=Vs=0V , Vg=-4~4V , Freq=350MHz
反転領域
蓄積領域
35SLIDE
ShortのSパラメータ特性
S21
Vb=Vs=0V , Vg=1.5V , Vd=1~2V , Freq=50MHz~5.05GHz
Vd=1V
Vd=2V
S11
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Large/NarrowのS21特性
Vb=Vs=0V , Vg=1.5V , Vd=-1~2V , Freq=50MHz~5.05GHz
Large Narrow
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BSIM4ネットリスト例
デザインテクノロジーによって組み込まれたシミュレータ
Spice3e2
Spice3f5
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今回使用したBSIM4の内部モデル
BSIM4で新しく追加されたモビリティモデル
新LDD抵抗モデル
ゲート漏れ電流モデルOFF
新Charge Thickness Capacitanceモデル
新ジオメトリ依存型ゲート抵抗モデル
新基板抵抗モデル
RGATEMODを使用するためNQSモデルOFF
BSIM3と同等のダイオードモデル
新ジオメトリ依存型Perimeterモデル
デバイスに対応したジオメトリ構造
拡散抵抗モデルON
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BSIM4のモデリング例(DC特性)
Short
Small
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BSIM4のモデリング例(容量特性)
ゲート容量
接合容量
41SLIDE
BSIM4のモデリング例(S-Parameters特性@1 finger)
S21dB
S11
S22
42SLIDE
BSIM4のモデリング例(S-Parameters特性@20finger)
S21dB
S11
S22
43SLIDE
Agenda
周波数領域の解析とSパラメータSパラメータとは
高確度にデバイスの高周波解析を行う為の技術De-embedding
BSIM3、BSIM4によるRFモデリング
RF回路検証の重要性
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RF回路検証の重要性
パラメータのコンビネーション
物理的、電気的にReasonableなパラメータ値
De-embedの精度
シミュレーション収束性
等を確認するために回路検証が重要。
45SLIDE
RF回路の検証法
検証方法1)デバイス・モデリング2)オンウェハで回路検証(単純回路)を行い、デバイス・モデリングの検証を行う。その後3)Interconnectモデリング4)パッケージ・モデリング5)評価ボード・モデリング6)SMT部品モデリングというように、step-by-stepで回路検証を行う。
注意する点オンウェハ検証用の回路は複雑にしない。デバイス以外にdominantな成分がない回路にする。
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RF回路の検証法ーフローチャート
Device modeling
RF回路の検証
Wafer上での回路検証
Interconnect modeling
Package modeling
評価ボード modeling
SMT部品 modeling
NG!
正しいSolution
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パッシブ部品、パッケージのモデリング例
48SLIDE
評価ボード・モデリングの例
Point Port
49SLIDE
まとめ
周波数領域の解析とSパラメータSパラメータとは
⇒高周波では周波数領域の解析が必要で、Sパラメータが便利
高確度にデバイスの高周波解析を行う為の技術De-embedding
⇒de-embeddingの精度はTEGに100%依存
BSIM3、BSIM4によるRFモデリング
⇒モデル等価回路とデバイス構造を理解した上でモデルを選ぶ
RF回路検証の重要性
⇒一気に複雑な回路で検証するのではなく、単純な回路でオンウェハ検証してから、徐々に複雑にしていく。