3D Elektromagnetische Simulation unerlässlich für das Design von Höchstfrequenz-CMOS-Schaltungen
Abb. 1: Vervielfacherschaltung mit passiven Elementen (links) und durch Ports ersetzten aktiven Transistoren (rechts)
Abb. 2: S-Parameter S21 als Funktion der Frequenz: EM-Simulation im Vergleich zu Messungen und einer SpectreRF-Simulation mit Hersteller-Modellen
Dank der rapiden Fortschritte bei der Miniaturisierung (Moore'sches Gesetz) sind Schaltungen, die mithilfe von High-End-CMOS-Prozessen hergestellt werden, heutzutage auch im Frequenzbereich über 10 GHz weit verbreitet. Im Gegensatz zu niederfrequenteren und den gängigen digitalen Schaltungen wird das Verhalten dieser CMOS-ICs nicht mehr primär durch die Transistorfunktionen bestimmt. Jedoch haben die passiven Elemente und die peripheren Effekte wie Verbindungsstrukturen etc. einen signifikanten Einfluss und müssen deshalb beim Entwurf detailliert modelliert werden.
Im Rahmen des CMOS-Prozesses werden die passiven Elemente in einem "Stack" von verschiedenen Metallisierungslagen, die durch Dielektrika getrennt sind, oberhalb des Halbleiters mit den Transistoren realisiert. Wichtige passive Elemente sind Induktivitäten, Kapazitäten und Leitungen. Diese Elemente haben teilweise Aufbauparameter, die sehr empfindlich auf Toleranzen reagieren, z.B. die dielektrische Schicht innerhalb einer Kapazität. Sie können zudem durch den platzsparenden Aufbau einen Einfluss auf benachbarte Elemente haben. Deshalb ist es wichtig, im Schaltungssimulator (z.B. SpectreRF) eine genaue Modellierung verfügbar zu haben und die entwickelte Schaltung am Schluss noch einmal hinsichtlich ihrer Funktion zu überprüfen. Dies geschieht mittels einer EM-Simulation der kompletten Schaltung. Aktive Elemente werden dabei durch Tore ersetzt, an deren Stelle später die Eigenschaften der aktiven Elemente implementiert werden. Ein Beispiel für eine solche CMOS-Schaltung ist die Vervielfacherschaltung in Abb. 1. Sie enthält passive Elemente unterschiedlichster Größen und erfordert deshalb eine detaillierte Betrachtung, die in der EM-Simulation allerdings einen hohen Aufwand erfordert. Typischerweise sind ca. 25 Mio. Rechenzellen für eine solche Schaltung notwendig. Abb. 2 zeigt beispielhafte Messdaten der hergestellten Schaltung zusammen mit Ergebnissen der Standardmodelle sowie denen der elektromagnetischen Simulation. Interessant ist dabei, dass bei Verwendung der Herstellermodelle die Schaltungssimulatorergebnisse (SpectreRF) deutlich abweichen.
FBH-Forschung: 13.01.2012