【ADS】ADS仿真电感

repage · 发表于 2024-5-19 17:28:50

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本帖最后由 repage 于 2024-5-19 18:41 编辑

在射频集成电路设计中常常会涉及到电感的EM仿真。常见的EM仿真软件，如HFSS、EMX、ADS等都可以用来仿真电感。这篇帖子将通过一个简单的例子来说明用ADS仿真电感的基本操作步骤与注意事项。射频集成电路中其他无源部分的EM仿真也可以在ADS中按类似的步骤进行仿真。

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步骤1. 准备衬底文件

1.1 用衬底编辑器eesofsubed.exe转换衬底

eesofsubed.exe是ADS中用来转换衬底文件的一种工具。但这一工具不能在ADS workspace中打开，只能在ADS安装目录(<ADS installation directory>\bin)下找到eesofsubed.exe才能运行。

eesofsubed.exe可以将几种类型的衬底文件转化为ADS可读取的形式，这里选择导入iRCX文件。点击File-Import iRCX File，在弹出窗口中设置好iRCX文件的路径、techfile和输出文件夹，然后点击Import就可以导入衬底文件。点击Import后，eesofsubed.exe会在刚刚设置的输出文件夹中生成可供ADS仿真的ltd文件。至此可以关闭eesofsubed.exe。关于eesofsubed.exe的详细说明，可以在ADS User Manual中搜索相关主题查阅。

eesofsubed.exe

1.2 ADS导入ltd文件

在ADS中打开需要进行仿真的workspace，在workspace点击File-Import-LTD Substrate File，设置好ltd文件路径（也就是刚刚生成的ltd文件）、library（一般就是当前library）和衬底名称，点击OK，就可以在当前workspace中生成可供仿真的衬底。

导入ltd文件后，每层的层号和PDK中的层号不能对应。这是因为当前的workspace只是为了仿真而设置的，在technology中不包含层信息。如果只有适用于Cadence virtuoso的PDK，可以按照layermap文件逐层修改每一层的层号。这一步主要是为了方便把Virtuoso中画好的布局stream out再在ADS里面stream in，避免每次在ADS里面stream in时都要修改层。

导入ltd文件后不包含硅衬底的信息。在衬底底部必须添加硅衬底，如果不添加，衬底底部的理想地和金属结构相距太近，仿真得到错误的结果。这里取衬底参数：相对介电常数11.9，厚度700 um，电导率10 Ohm·cm。

Tips. ADS中可以设置”导出层“Derivated Layer。这种类型的层可以由普通层经过布尔运算得到，在涉及低层金属EM仿真时很有用。比如：CONT层的顶层是METAL1，底层可能是POLYG或者OD。画版图（或者GDSII文件里面）用到的是CONT层，这一层在衬底中并没有映射（不对应真实物理结构）。我们可以设置两个导出层cont_polyg和cont_od来分别表示连接到POLYG的CONT和连接到OD的CONT。其中cont_polyg是CONT层和POLYG层经过AND运算得到的，cont_od是CONT层和OD层经过AND运算得到的。这两个层可以分别映射到衬底中METAL1到POLYG的通孔层和METAL1到OD的通孔层。这样就可以仿真同一层对应不同物理层的情况。同样ctm和cbm层到METAL5的通孔也可以由VIA4和CTM/CBM层设置导出层来进行建模。关于ADS层设置，可以在ADS User Manual中查找technology主题查阅。

导入到ADS的衬底

步骤2. 导入/处理GDSII文件

2.1 准备GDSII文件并导入到ADS中

准备好衬底后，就需要设计电感结构（也就是画电感版图）。从设计流程上来说，最为简单的方法是直接在ADS的版图工具内绘制，这样不需要通过GDSII文件来传递版图数据，只在ADS环境中完成设计。但ADS的版图工具功能比较单一（比如不能拖动多边形边沿、相对坐标移动操作很繁琐等），参考资料也较少，故一般不采用。常用的方法是在Virtuoso中画好电感版图，再导出GDSII文件，然后将生成的GDSII文件导入到ADS。这种方法虽然有繁琐的导入/导出流程，但可以利用Virtuoso中更好的版图工具。另外ADS Momentum（ADS的矩量法仿真引擎）也可以集成到Virtuoso中。这里用一种比较新颖的方式，利用冉谱微的RFIC-GPT工具直接生成所需的电感GDSII文件，然后导入到ADS中。这里用RFIC-GPT方法来验证ADS仿真的准确度，如果给定设计指标，ADS仿真结果和RFIC-GPT工具得到的结果匹配，说明ADS仿真设置正确。关于RFIC-GPT使用方法可以参考ICprophet。

首先在RFIC-GPT中设置设计指标，这里以一个工作频率为24G的电感为例：电感值为120 pH，品质因数15，工艺节点和衬底工艺节点匹配（130 nm），电感位于METAL6，对应厚度3.35 um，信号传入方式设置为差分。在RFIC-GPT中选择需要的电感GDSII文件并下载。

示例电感

在ADS中创建一个layout cell，然后点击File-Import，在弹出窗口中选择GDSII Stream Format，然后设置刚刚下载的电感GDSII文件，其他选项保持默认，点击OK。此时将创建一个新的cell(DUT cell)，名称和GDSII文件的名称相同，其中包含一个layout view。

将GDSII文件导入到ADS（此时层映射不正确）

2.2 处理ADS Layout

刚刚导入的GDSII需要进行一定的修改才能进行仿真。首先需要更改金属层，因为从网站上下载的GDSII文件层映射不正确。这里将电感主体的层换到METAL6，中间过渡部分换到的METAL5，交叉处的过孔换到VIA5。

之后需要删除原来的pin（也就是上图中绿色框部分），在ADS中添加新的pin，放置在电感接口边缘。由于pin已经放置在电感接口边缘，在仿真时接口边缘就是等电位的，因此pin可以设置为dot类型或者和边缘等长度的edge类型，对仿真没有影响。

修改好的电感版图，可用于仿真

步骤3. 仿真与数据后处理

3.1 EM仿真设置

在电感layout界面中，新建一个EM setup view，然后按照仿真需求设置EM仿真。通常设置仿真器为momentum RF，仿真频率根据工作频率设置，这里设为0G-100G；网格密度可以适当设置的密一些，这里保留默认值20；对于一些半节点工艺，还需要根据PDK说明文档设置scale factor，才能得到准确的仿真结果。ADS EM仿真设置有很多选项，每个选项的含义不尽相同，可以参考ADS User Manual中的说明来设置，得到最接近真实情况的仿真结果。

Tips. ADS中有三种不同的仿真器，分别为Momentum RF、Momentum Microwave和FEM。这三种仿真器的特点简要比较如下：

1. Momentum RF/Microwave使用矩量法进行仿真。矩量法假设衬底在二维方向上无限延伸，通过计算衬底中的格林函数来求解EM问题。因此，在矩量法中只需要对金属层划分网格，网格数目较少；而FEM需要截断求解区域并设置边界条件，在求解区域内都要进行网格划分，网格数目较多。

2. Momentum RF是用准静态方法计算不同频率下衬底的格林函数，而Momentum Microwave是用全波方法计算频率范围内的格林函数。第一次EM仿真时，仿真器会计算并存储对应的格林函数。若保持衬底不变，仿真频率范围改变，使用RF仿真器不需要重新计算格林函数，但使用Microwave就需要重新计算格林函数；若改变了衬底，则两种方法都需要重新计算格林函数。

3. 对射频集成电路设计来说，可以先采用Momentum RF进行仿真设计，这样能保证合适的精度，仿真速度也较快；在全版EM仿真中就可以采用Momentum Microwave或FEM进行仿真，以获得更准确的结果。

EM仿真设置界面

3.2 搭建testbench

在DUT cell中新建一个symbol view。这里可以选择look alike，将版图的缩略图作为symbol。当仿真结构具有很多个端口时，这样可以比较容易确定连接关系。

新建一个testbench cell，在里面搭建DUT所对应的testbench。这里用一端口驱动一个理想balun，再将balun和电感差分连接。这样可以直接仿真差分电感性能。放置S参数控件，在控件中设置仿真频率和设置输出Z参数，直接在dataset里面就可以保存Z11（默认设置时只保存S11）

点击Choose View For Simulation，再点击DUT电感，选择emModel，就可以在仿真时调用刚刚EM仿真得到的S参数文件。

差分电感的testbench

仿真testbench，在数据显示界面中添加方程和图片，就可以直接查看仿真结果。testbench仿真结果中所有的参数都已经是差分化的参数，方程形式很简单。仿真结果如下所示，可以看到在24G下电感值为116 pH，品质因数为14.32，和在RFIC-GPT中设置的设计指标非常接近，说明ADS仿真流程正确，也说明RFIC-GPT的生成结果准确。