文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.08.009
中文引用格式： 沈志遠，吳智，陳國勝，等. 整合3DEM的Virtuoso在片上電感仿真中的應用[J].電子技術應用，2016，42(8)：44-47.
英文引用格式： Shen Zhiyuan，Wu Zhi，Chen Guosheng，et al. Using Cadence Virtuoso 3DEM for on-chip inductor extraction[J].Application of Electronic Technique，2016，42(8)：44-47.
0 引言
片上電感是射頻芯片中非常重要的器件，很多工藝廠商都在工藝庫中提供片上電感的模型。但隨著電路工作頻率越來越高，許多工藝庫中提供的電感模型已經不能滿足設計需求，需要客戶根據需求自定義片上電感的尺寸參數(shù)。在這種情況下，如何獲取精確的電感模型是項目成敗的一個非常關鍵的因素。
目前主流的方法是將片上電感的版圖導入電磁仿真軟件進行仿真。但是電磁仿真軟件對片上器件的支持不是很好，導入數(shù)據以及建立仿真環(huán)境的過程非常繁瑣，對于電磁仿真經驗比較少的研發(fā)工程師來說是一個不小的挑戰(zhàn)。而Cadence基于PowerSI工具的基礎上研發(fā)的嵌入Virtuoso的3DEM電磁仿真軟件可以很好的解決這個問題，其簡便的操作方法，簡單的環(huán)境設置以及快速而精確的仿真結果有助于快速掌握電磁仿真流程，獲取精確的片上電感仿真模型。
1 電感建模及主流仿真軟件的使用
1.1 片上電感建模介紹
雖然單端口電感的磁場眼中央空洞呈對稱分布[1]，其電場及電阻的分布卻不對稱，其共模噪聲抑制能力較差。因此在射頻集成電路中，更多的是采用差分電感。
中心抽頭差分電感的等效模型如圖1所示[2]。
圖1 中心抽頭差分電感模型
差分阻抗以及等效的電感、品質因數(shù)計算公式如下[2]：
1.2 主流仿真軟件的使用
為了仿真片上電感的模型，首先需要提取電感的版圖文件，另外還需要一個包含電感金屬堆疊信息文件，同版圖數(shù)據一起導入電磁仿真軟件。仿真前，首先需要設置包含仿真器件幾何形狀的空氣腔，以及器件下方的襯底層。然后設置襯底層和金屬層的電學參數(shù)。若要仿真器件以及與之相連的金屬線整體的模型，則隨著走線及過孔的形狀的不同，仿真難度也會相應的變化，過于復雜的幾何尺寸將使得仿真數(shù)據量和仿真時間大大增加。主流電磁仿真軟件的流程如圖2所示。
圖2 主流電磁軟件優(yōu)化仿真模型流程
從圖中可以看到，版圖文件導入后，還需要處理金屬層和其他介質層之間的層疊關系。如果存在交疊部分，還需要手動處理。另外，有的片上器件存在一些虛擬金屬，這些對模型的結果影響很小，手動去除可以減小運算量，但是這增加了設置模型的工作量。
最后需要將仿真結果導出為S參數(shù)，并引入電路的原理圖或者電路的網表中仿真，如果需要重復迭代優(yōu)化，這個過程將會大大降低優(yōu)化的速度。
2 3DEM仿真及電感實例介紹
2.1 3DEM簡介
3DEM是Cadence公司基于PCB板級電磁電磁仿真軟件[3-5]研發(fā)的，嵌入到Virtuoso中的新一代電磁仿真軟件。由于Virtuoso的普及度非常高，在研發(fā)環(huán)境內直接進行電磁仿真就便利很多。并且3DEM只需要Cadence提供的相應的庫文件（通常是ict文件）就可以自動的導入器件所用到的金屬層和介質層的相關電參數(shù)，同時調整各層的材料屬性和厚度也很方便。另外，3DEM可以根據不同工藝角的工藝文件，建立不同的仿真模型，這大大加快了仿真的遍歷性，對同一器件可以同時提取不同工藝角的S參數(shù)用于項目的仿真。
基礎算法上，3DEM模塊針對IC、封裝和PCB結構，采用全三維有限元[6]（3DFEM）算法，能準確分析復雜三維結構的性能參數(shù)。其全波求解器支持零階和一階的網格，網格采用自適應的生成方式能實現(xiàn)結果的快速收斂并提高仿真精度。電磁場方程的求解采用了先進的模型降階方法，使仿真速度能提高一個數(shù)量級。由于采用了一種先進的低頻段算法，大大提高了3DEM在低頻段的精度和穩(wěn)定性。
掃頻方式上，3DEM采用的是KMOR掃頻法，在頻域里相當于所有本征模的線性組合。與其他基于曲線擬合的掃頻方式不同，KMOR基于本征模的方法不會產生錯誤的諧振，而普通的逐點掃頻法速度極慢，因此KMOR掃頻法是一種又準又快的掃頻方法。
3DEM可以自動識別并生成器件的接口信息，這不僅大大節(jié)省了建立仿真模型的時間，并且在最終輸出的結果中，求解器會自動減去由接口引入的寄生參數(shù)，從而保證了結果的精確性。并且由于3DEM集成在Virtuoso環(huán)境中，仿真輸出的S參數(shù)可以直接反標回電路原理圖，自動生成一個獨立命名的原理圖用于仿真，工程師只需復用之前的驗證平臺直接驗證參數(shù)的正確性，使用起來非常方便。圖3顯示了電磁仿真驗證流程。
圖3 3DEM電磁仿真流程
為了驗證仿真的性能，下面選擇工藝庫中的一個螺旋電感進行仿真驗證。
2.2 仿真環(huán)境的啟動及參數(shù)設置
3DEM集成在Virtuoso中，直接選擇電感的版圖并右鍵選擇打開的方式，選擇“Layout EAD”選項即可，并在打開的版圖界面逐次選擇“Window→Assistants→3DEM”打開輔助界面。如圖4所示。
圖4 3DE完整界面
仿真時需要設置的工藝相關的參數(shù)均集成在輔助界面，并且操作非常簡便。首先介紹襯底材料的設置，在輔助界面，選擇“Process”按鈕，在彈出的窗口“Substrate Parameters”設置襯底參數(shù)，不需要單獨建立幾何腔體即可直接設置。
接下來就需要設置金屬材料和介質層的相關參數(shù)，在打開的工藝設置界面，添加或者編輯工藝信息。在彈出的窗口中的“Corner”選項卡，可以添加不同工藝角的工藝文件；在“Layer Mapping”選項卡設置需要映射到3DEM中的版圖中的層次；“Vias”選項卡則設置過孔簡化的參數(shù)。設置如圖5所示。
圖5 設置工藝參數(shù)
工藝參數(shù)設置完畢后，就可以開始設置仿真的端口了。3DEM的端口設置分兩種：如果選擇仿真的是PCELL元件，這種元件自帶的端口信息可以被捕捉，就不需要單獨設置端口；如果選擇的是普通的版圖元件，則通過“Selection”選項卡，用“EMBoundary”層畫一個區(qū)域，與這個區(qū)域切邊的金屬，可以通過“Port”選項卡的“Port Generation”按鈕自動識別為端口。兩種端口設置情況如圖6所示。
圖6 端口設置
地平面的設置也很簡單，在“DieGround”選項卡中選擇相應的設置選項，輸入參數(shù)即可。
仿真參數(shù)的設置，在3DEM設置中選擇“Simulation”選項，在彈出的窗口中分別設置好掃頻方式、仿真器選項以及輻射邊界條件。
2.3 仿真及反標輸出
參數(shù)設置好后，選擇“Start Simulation”，Virtuoso將自動打開3DEM仿真界面開始仿真，如圖7所示。
圖7 仿真界面
其中“CuttingZoneSoc”是將原始的走線自動延長到仿真腔的邊緣，仿真結束工具會自動去嵌入（De-Embed）這部分引入的寄生參數(shù)[5]，因此由仿真設置引入的結果誤差降到最低。去嵌入的仿真原理如下：
(1)先求解電感（包括延長部分）的S參數(shù)；
(2)根據短路-開路法求出延長區(qū)“CuttingZoneSoc”的走線寄生S參數(shù)；
(3)從總的結果中減去這部分寄生，得到精確的電感器件的S參數(shù)結果。
普通片上電感大約需要仿真30-40 min，而同樣一個例子，即使經過一些簡化處理，采用主流的一款電磁仿真軟件，仿真時間則需要10小時以上，所以3DEM的速度優(yōu)勢是十分明顯的。仿真結果界面如圖8所示。
圖8 仿真結果
仿真結束后，可以將結果直接反標回電路，并且自動產生一個新的原理圖，方便仿真調用區(qū)分，這個功能使得優(yōu)化仿真的流程更加簡便。
2.4 結果對比
本次仿真結果同工藝庫中的電感的頻率特性進行了比較，同時同樣的例子通過第三方的電磁仿真軟件也進行了仿真。結果比較如圖9所示。
圖9 仿真結果比較
通過結果比較可知，仿真結果跟現(xiàn)在行業(yè)常用的電磁仿真軟件相差無幾，但是仿真速度和軟件的易用性優(yōu)勢非常明顯。因此是射頻研發(fā)工程師提高研發(fā)和優(yōu)化速度的非常實用的工具。
3 3DEM在實際項目中的應用
上面幾部分介紹了3DEM應用于片上電感的電磁仿真方法，3DEM的優(yōu)勢不僅在仿真單個電感，而是在具體電路設計中，直接選取電路版圖的一部分進行電磁仿真。這樣不僅可以直接對感興趣的任意版圖部分進行電磁仿真，并且可以避免單獨提取版圖這一難題。仿真結果更接近實際工作情況，電路性能的仿真結果更具可信度。下面就以HDMI 2.1項目研發(fā)中的LC-VCO模塊的電磁仿真為例，介紹3DEM的應用。
功能的驗證由兩部分組成：首先只選取電感的版圖，3DEM仿真并與工藝庫中的參數(shù)進行比較；然后選取電感加連線延伸部分，仿真帶寄生參數(shù)的電感參數(shù)，同時與原電感參數(shù)進行比較。圖10給出了這兩種仿真的版圖選取區(qū)域的不同，圖11給出了仿真結果。
圖10 仿真區(qū)域選擇
圖11 3DEM與工藝庫及連線寄生結果比較
通過以上仿真比較發(fā)現(xiàn)，電感之外的連線引入了相對比較大的寄生參數(shù)，這在射頻設計中是非常重要的。因為LC-VCO的頻率調節(jié)范圍本來就很小，如果電感參數(shù)的估計偏差較大，很可能最后震蕩頻率會跳出頻率調節(jié)范圍，從而無法到目標頻率。3DEM精確的寄生參數(shù)仿真結果，可以讓研發(fā)人員準確的調整VCO的設計，從而使得頻率調節(jié)范圍可以很好的覆蓋目標頻率。仿真的結果已經得到測試芯片的驗證，從而驗證3DEM仿真的準確性。
4 結論
通過單獨電感和具體VCO的實例，熟悉集成與Virtuoso的3DEM的電磁仿真軟件的性能。通過對仿真結果的對比發(fā)現(xiàn)，3DEM具有仿真方法簡便，仿真速度快并且結果精度與流行的電磁仿真軟件相差無幾。因此3DEM是射頻器件的建模仿真非常好的選擇。
參考文獻
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