单片微波集成电路(MMIC)设计中的有源器件的仿真与建模

有源器件的建模

诸如FET和HBT之类的有源器件以与无源器件有类似的建模方式，其中用等效集总元件模型来拟合测量到的s参数，然后集总元件的值针对晶体管几何形状进行参数化。产生的主要差异是因为有源器件的模型要比无源器件的模型更复杂，具有超过20个集总元件，而无源模型仅为5个。此外，有源器件的模型必须根据其直流偏置条件及其几何形状进行参数化，并且通常必须根据噪声参数及其s参数对其进行表征。这导致了复杂的多维模型，需要大量的数据测量和仔细的模型拟合，这通常是芯片代工厂仅为有限数量的有源器件提供模型的原因。

有源器件的建模复杂性的另一个后果是并非所有模型都是相同的。正如人们所料，对于HBT来说，最新的模型考虑到因击穿和自热而产生的影响，因此比旧的、但具有开创性的Gummel-Poon的模型来说参数更多也更加准确更加实用。同样，不同的FET模型具有相似的优点或缺点，这取决于它们是从测量，曲线拟合还是物理模拟模型中提取的。模型的选择对于MMIC设计的成功至关重要，并且可以引导设计者选择恰好能提供支持最适合设计要求的模型的代工厂。

FET模型

MESFET或HEMT的集总元件等效电路模型如图1所示。跨导（Gm）由输入栅 - 源电容（Cgs）上产生的电压来控制。相关的噪声模型如图2所示，噪声来源Ig和Id通过：

上面的方程假设电阻器Rg，Rs和Rd在晶体管的环境温度下产生的是约翰逊噪声。其他有时包含在仿真CAD工具中的FET模型包括Curtice模型，根（Root）模型，Statz模型，Angelov模型以及Triquint自有的模型model（TOM，Triquint own model）等。

图1、FET的等效电路模型

图2、FET的等效噪声模型

HBT模型

双极晶体管历来使用Gummel-Poon模型建模，该模型适用于硅器件。该模型的概念已经进一步发展，以适应GaAs和InP HBT器件，如垂直双极公司间（VBIC，vertical bipolar inter-company）模型和高电流模型（HICUM，high current model）模型，如作为Agilent HBT模型已经被纳入到了CAD仿真工具中，如图3所示。

图3、异质结双极晶体管（HBT）的等效电路模型