CMOS毫米波电路基于自动建模的验证方法

随着集成电路工艺的不断发展，CMOS电路已逐渐拓展到30 GHz~300 GHz的毫米波电路。晶体管尺寸的缩小以及工作频率的提高使得高频电磁耦合效应对电路的影响变得越来越显著。传统的用于模拟电路的设计验证流程已经不能满足设计者所需。主要问题在于首先电路仿真与实验测量之间存在着很大的差别。设计者需要多次的流片进行验证。其次一旦芯片工作不正常，很难确定导致故障的原因。本课题研究毫米波电路元器件和系统的自动建模方法及其应用。自动建模基于电磁场数值仿真或者实验测量的数据，构造可以用于电路仿真的动态系统模型。基于自动建模方法，该课题同时研究可以应用于毫米波电路的流片前最终验证(Silicong Sign-off Verification)方法学以及系统的可测性设计和故障诊断。本项目研究的各项技术将构成系统性的新一代的毫米波电路设计验证方法学，用于降低毫米波电路开发成本、周期以及设计者开发的技术门槛。

随着集成电路工艺的不断发展，CMOS 电路已逐渐拓展到 30 GHz~300 GHz 的毫米波电路。晶体管尺寸的缩小以及工作频率的提高使得高频电磁耦合效应对电路的影响变得越来越显著。传统的用于模拟电路的设计验证流程已经不能满足设计者所需。主要问题在于由于毫米波电路中电磁场的效应导致传统的电路设计方法中强烈依赖的集约模型在射频电路中已经难以满足精度要求，进而导致电路仿真与实验测量之间存在着很大的差别。本课题研究毫米波电路元器件和系统的自动建模方法及其应用，包括以下几个方面:.1）基于状态空间方程的无源宏模型建立方法。基于电磁场数值仿真或者实验测量的数据，构造基于状态空间方程的可以用于电路仿真的动态系统模型。主要解决的问题是模型的无源性保证。基于自动建模方法，我们进一步研究了毫米波电路的统计分析方法。同时，我们首次提出了噪声伴随的状态空间模型(NCSS模型)，是目前唯一支持仿真器噪声分析的相关模型，传统的状态空间模型中不含噪声信息，因此无法支持噪声分析。所提出的NCSS模型基于无源性的假设，通过描述系统端口参数的系统的状态空间方程利用谱分解的方法得到描述系统噪声的状态空间方程，可以准确描述无源系统的噪声。该模型已实现以matlab toolbox的形式开源发布，该toolbox集成了业内领先的建模方法以及本课题所提出的方法，已得到多家单位的下载使用。.2）可伸缩的无源集约模型自动建立方法。该方法可以适用于一般的模型拓扑结构，通过电磁仿真的数据，提取模型参数与元件几何参数之间的解析关系，得到电路的可缩放的集约模型。该模型十分适于进行电路优化与统计分析。.3）我们同时研究相关的电路仿真分析方法，提出了基于时域划分的电路分析方法，对于具有短时记忆效应的电路（如ADC等）采用时域划分方式进行并行计算可以实现50倍以上的加速。