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。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，導入數據以及建立仿真環境的過程非常繁瑣，對于電磁仿真經驗比較少的研發工程師來說是一個不小的挑戰。而Cadence基于PowerSI工具的基礎上研發的嵌入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。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，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化，這個過程將會大大降低優化的速度。
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，在研發環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，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。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，從而保證了結果的精確性。并且由于3DEM集成在Virtuoso環境中，仿真輸出的S參數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 仿真環境的啟動及參數設置
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，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，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。設置如圖5所示。
圖5 設置工藝參數
工藝參數設置完畢后，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”層畫一個區域，與這個區域切邊的金屬，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，輸入參數即可。
仿真參數的設置，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[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；
(2)根據短路-開路法求出延長區“CuttingZoneSoc”的走線寄生S參數；
(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，方便仿真調用區分，這個功能使得優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，仿真結果跟現在行業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勢非常明顯。因此是射頻研發工程師提高研發和優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進行比較；然后選取電感加連線延伸部分，仿真帶寄生參數的電感參數，同時與原電感參數進行比較。圖10給出了這兩種仿真的版圖選取區域的不同，圖11給出了仿真結果。
圖10 仿真區域選擇
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現，電感之外的連線引入了相對比較大的寄生參數，這在射頻設計中是非常重要的。因為LC-VCO的頻率調節范圍本來就很小，如果電感參數的估計偏差較大，很可能最后震蕩頻率會跳出頻率調節范圍，從而無法到目標頻率。3DEM精確的寄生參數仿真結果，可以讓研發人員準確的調整VCO的設計，從而使得頻率調節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現，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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