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射频微波晶体管噪声参数的ANN表征

射频微波晶体管噪声参数的ANN表征

作者：王东振西南科技大学

学位级别：硕士

特征尺寸为几十纳米量级的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）因其具有成本和功耗低且集成度高等优点,使之成为现代和下一代无线通信系统射频微波前端集成电路实现方案的主流。MOSFET高频小信号等效噪声电路的精确建模,是射频微波... 详细信息

特征尺寸为几十纳米量级的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）因其具有成本和功耗低且集成度高等优点,使之成为现代和下一代无线通信系统射频微波前端集成电路实现方案的主流。MOSFET高频小信号等效噪声电路的精确建模,是射频微波波频段下MOSFET低噪声放大器仿真优化设计首先要解决的问题。目前,有源器件等效噪声电路模型参数是通过测量某个固定工作偏置电压下器件的散射（S）参数和四噪声参数,通过研究高保真的参数提取方法而获取的。鉴于MOSFET等效电路本征元件参数和器件噪声机理的偏置依赖性,因此,为了保证MOSFET小信号等效噪声电路模型的精度,必须在较宽的测试频率范围内,对工作在不同偏置电压下的MOSFET散射参数和四噪声参数进行密集采样,从而增加了微波与毫米波MOSFET电路的研发成本和周期。同时,海量测试数据的处理也导致本就十分复杂的参数提取算法产生更多的数学求解问题。为了降低MOSFET高精度建模中对海量数据测量及复杂的参数提取算法的依赖性,本论文利用人工神经网络（Artificial neural network,ANN）在有源器件建模方面的有效性、准确性和简便性,针对射频微波频段下40纳米MOSFET在强反型区的高频噪声建模问题,开展了以下三个方面的应用研究工作。首先,通过分析半导体有源器件ANN建模技术的特点,总结已有的建模案例的经验,发现MOSFET建模可利用有源器件ANN建模技术泛化能力强的优势,并参考成熟的ANN拓扑结构和与之配套的优化训练算法。因此,实现MOSFET高精度ANN建模的关键在于:必须掌握器件的工作条件（ANN模型的输入）与性能指标参数（ANN模型的输出）之间的非线性关系。更为重要的是,表征这种非线性关系的数据必须准确、可靠,因为它们将作为ANN模型的训练数据和测试样本。为此,在本文的第二章中,开展了两方面的研究工作。一方面,研究了40纳米MOSFET高频小信号等效电路模型参数的直接提取方法。其中,在等效电路充分表征MOSFET非准静态效应的基础上,通过等效电路导纳参数的简化建模,实现等效电路参数的精确提取,从而为训练本文所建的本征元件参数ANN模型提供准确的仿真数据奠定了基础。另一方面,本文给出了40纳米MOSFET导纳等效噪声模型噪声电流源功率谱密度的参数化模型,从而为验证本文所建的四噪声参数ANN模型的精度提供了测试样本。其次,在本文的第三章中,参考射频与微波器件ANN建模的经验,利用ANN建模的泛化能力,通过选取BP网络结构,采用马夸特算法（Levenberg-Marquardt）作为优化训练算法,建立了40纳米MOSFET的本征元件参数ANN模型。测试验证,所建的本征元件参数ANN模型不仅在强反型区的偏置电压范围内的预测精度很高,而且具有很好的S参数内插能力。因此,采用所建的本征元件参数ANN模型,能够易于连续获取任意偏置点和频率范围内的S参数数据,可以避免复杂的S参数测量过程以及繁琐的等效电路参数提取过程。利用所建的本征元件参数ANN模型生成的高精度仿真数据将作为知识,为提高四噪声参数ANN建模的精度提供了保障。最后,在本文的第四章中,建立了一种基于知识的四噪声参数ANN模型。该模型类型为基于先验知识的BP网络,训练算法仍然采用马夸特算法。建立该模型的目的是为了在较宽的频带和偏置电压范围内,能够快速、连续地表征40纳米MOSFET高频噪声的偏置和频率依赖性,从而能够避免MOSFET高频噪声分析和建模表征中对四噪声参数海量的测量要求,易于获取任意偏置点和频率下的噪声模型数据。实验结果表明,基于所建的基于知识的四噪声参数ANN模型的仿真提取结果与基于物理的二端口等效噪声电流精确模型的仿真计算结果的一致性,验证了所建模型的有效性和精度。

关键词： MOSFET 人工神经网络等效电路参数四噪声参数射频微波

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SiGe HBT高频相关噪声的简洁建模

固体电子学研究与进展 2017年第3期37卷 164-167,186页

作者：赵爱峰王军胡帅西南科技大学信息工程学院四川绵阳621010

基于双极结型晶体管(BJT)大信号简洁模型,采用在基极和集电极节点之间添加RC延迟噪声电流的方法对SiGe HBT高频相关噪声进行建模,将模型与现有的Transport模型、SPICE模型、Van Vliet模型进行对比来体现该建模方法的准确性,同时再对模... 详细信息

基于双极结型晶体管(BJT)大信号简洁模型,采用在基极和集电极节点之间添加RC延迟噪声电流的方法对SiGe HBT高频相关噪声进行建模,将模型与现有的Transport模型、SPICE模型、Van Vliet模型进行对比来体现该建模方法的准确性,同时再对模型进行四噪声参数的提取,将提取结果与实测的结果进行比较来验证它的有效性。

关键词： SiGe异质结双极晶体管简洁模型噪声建模四噪声参数

纳米MOSFET的弱反区毫米波噪声模型研究及应用

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纳米MOSFET的弱反区毫米波噪声模型研究及应用

作者：罗震西南科技大学

学位级别：硕士

纳米金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)因其高集成度、高性能、低功耗和低成本的优点,被广泛应用于射频与毫米波集成电路中。作为设计互补金属氧化物半导体(CMOS)低噪声电路的基础,不同工艺下其高频噪声模型明显不同,因此新型器件... 详细信息

纳米金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)因其高集成度、高性能、低功耗和低成本的优点,被广泛应用于射频与毫米波集成电路中。作为设计互补金属氧化物半导体(CMOS)低噪声电路的基础,不同工艺下其高频噪声模型明显不同,因此新型器件噪声模型的建立往往都滞后于新型器件的出现。用于高频领域的CMOS技术的缩比进展表明其最佳的高频性能已从强反型区和中反型区转移至弱反型区。然而,现有的大多数文献对于MOSFET噪声特性的研究,不仅集中于器件的强反型区与中反型区,而且没有明确表明器件在不同工作区间的主导噪声机理。而随着器件尺寸的缩小和5G移动通信的到来,使得毫米波频段下器件的弱反型区电流噪声特性成为国内外研究的热点和难点。据此,本文在分析长沟道MOSFET的强反型区与中反型区高频电流噪声模型基础上,针对130nm MOSFET的器件物理结构,明确两工作区间噪声机理,并验证其同样适用毫米波频段。结合毫米波小信号等效噪声模型,提出在弱反型区衬底效应的主导地位,并以此建立纳米MOSFET的弱反型区毫米波电流噪声模型;通过频率和偏置依赖性的仿真结果与文献实测数据吻合性对比,验证所建噪声模型的准确性。最后,基于所建噪声模型应用于表征其宏观噪声行为的四噪声参数推导,并进行器件四噪声参数的仿真分析,仿真结果与文献数据的一致性对比,验证了四噪声参数模型的准确性和实用性。验证结果还表明所提出弱反型区的电流噪声模型具有较高的精度。

关键词： 130nm MOSFET 毫米波噪声机理弱反型区四噪声参数

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基于物理特性的射频晶体管简洁模型研究

基于物理特性的射频晶体管简洁模型研究

作者：赵爱峰西南科技大学

学位级别：硕士

随着集成电路的快速发展,硅锗异质结双极型晶体管(Si Ge HBT)因其渡越时间短,低温性能好,电流增益大,低成本以及能与传统的硅工艺相兼容等特性被广泛的应用于雷达系统以及无线通信电路中。因此,关于射频晶体管Si Ge HBT高频噪声的建模... 详细信息

随着集成电路的快速发展,硅锗异质结双极型晶体管(Si Ge HBT)因其渡越时间短,低温性能好,电流增益大,低成本以及能与传统的硅工艺相兼容等特性被广泛的应用于雷达系统以及无线通信电路中。因此,关于射频晶体管Si Ge HBT高频噪声的建模一直以来是人们研究的热点。为了大大地提高模型的精度,人们通常会在建模的时候考虑晶体管的物理特性。然而包含物理特性的Si Ge HBT高频噪声模型又会因其结构复杂而无法直接被仿真软件使用,这就使得人们所建的高频噪声模型在应用方面有了很大的局限性。所以为了克服这一问题,我们需要对所建的噪声模型进行简化处理得到其简洁模型,再利用Verilog-A语言将其嵌入到仿真软件中。这样不仅提高了所建噪声模型的实用性,同时也让模型设计者大大地缩短了模型在后期更新时所需要的时间。本文重点研究了包含非准静态效应的Si Ge HBT高频等效噪声简洁模型。主要内容可以分为以下几个方面:Si Ge HBT小信号等效电路模型是建立Si Ge HBT高频等效噪声的基础。因此,我们先确定了包含非准静态的Si Ge HBT等效电路结构,再针对现有的Van vliet模型的不足对其进行改善,最终确定了我们所建的Si Ge HBT高频等效噪声模型。由于所建的噪声模型无法直接用Verilog-A语言嵌入到仿真软件中,所以我们在模型中引入了模型参数,并利用噪声功率谱密度矩阵对其进行转换与近似从而得到简洁模型。最后,用Verilog-A语言对所建的简洁模型进行编程,将所编的程序嵌入到仿真软件ADS中进行四噪声参数的仿真,将仿真结果与基于精确物理模型计算得到的四噪声参数结果以及常见的几种模型的四噪声参数仿真结果进行对比,验证所建简洁模型的实用性与精确性。

关键词： SiGe HBT 简洁模型四噪声参数 Verilog-A

面向超低电压射频低噪声设计的MOSFET表征方法

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面向超低电压射频低噪声设计的MOSFET表征方法

作者：刘人豪西南科技大学

学位级别：硕士

MOSFET高频噪声的建模是其在无线通信中应用的基础。面向低功耗、混合信号及高频应用的短沟道COMS技术,其最佳的高频特性已从低中反型区转移至弱反型区。器件的噪声特性相比于长沟道器件也发生了显著的变化,噪声模型的表征也更加复杂。... 详细信息

MOSFET高频噪声的建模是其在无线通信中应用的基础。面向低功耗、混合信号及高频应用的短沟道COMS技术,其最佳的高频特性已从低中反型区转移至弱反型区。器件的噪声特性相比于长沟道器件也发生了显著的变化,噪声模型的表征也更加复杂。目前,纳米MOSFET的噪声建模主要是基于器件的四噪声参数和散射参数测量,通过双端口噪声网络分析,提取器件的双端口等效噪声电流模型的原始数据,结合器件的小信号等效噪声电路分析,建立器件等效噪声电流源的数学物理模型。器件噪声数学物理建模的精度取决于对器件工艺特性的认识深度和测量系统的精度。精确的短沟道MOSFET噪声物理模型的数学表征非常复杂。为了使现有的短沟道MOSFET高频噪声数学物理模型可用于工程设计,本文研究了其简洁模型的表达形式,并进行了应用实验验证。本文工作包括以下三个方面:首先,明确了40纳米MOSFET的双端口等效噪声电流高频物理模型及其原始数据,确定了其小信号等效噪声电路的元件参数及其四噪声参数的原始数据,通过基于MATLAB的物理模型计算仿真与原始数据的对比,验证了本文所明确的高频噪声物理模型的有效性和准确性。其次,为了使复杂的纳米MOSFET高频噪声物理模型可用于工程设计,本文研究了其简洁模型的表达形式。通过器件的双端口相关噪声矩阵变换和分析,实现了复杂的噪声物理模型的简化。所提出的简洁模型不仅高精度地表征了器件的非准静态效应,并且可通过Verilog-A语言以四结点的形式,直接嵌入到ADS仿真设计工具,从而在保证精度的同时,大大降低了设计的复杂度。实验结果验证了所建简洁模型在强反型区和弱反型区均有较高的精度,比传统模型具有更高的准确性。最后,基于超低电压射频低噪声设计集中在MOSFET的弱、中反型区的工程实际,提出了基于反型系数(IC)的表征方式,并以具有偏置依赖性的元件参数举例,证明了该种表征方式在表征弱反型区时,具有更清晰更容易辨识MOSFET工作在超低电压时的特性。并且通过转换回V的表征方式,与原始数据进行对比,说明了该表征方法的可逆性与有效性。在工程设计中可以通过反型系数表征的MOSFET特性曲线选取最佳工作点,以此间接地选取物理偏置电压值,然后利用本文所建立的简洁模型进行仿真,这样可以使得设计更为准确和有效。

关键词：纳米MOSFET 简洁模型四噪声参数 Verilog-A语言反型系数

基于人工神经网络的SiGe HBT高频噪声模型

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基于人工神经网络的SiGe HBT高频噪声模型

作者：何林西南科技大学

学位级别：硕士

异质结双极晶体管(Heterojunction Bipolar Transisitor,HBT)因其优良的高频性能及其与硅基CMOS工艺兼容的优点,使之成为毫米波频段下现代和下一代无线通信系统实现的首选方案。实现基于HBT的高频电路的设计和优化的关键在于,使用有效... 详细信息

异质结双极晶体管(Heterojunction Bipolar Transisitor,HBT)因其优良的高频性能及其与硅基CMOS工艺兼容的优点,使之成为毫米波频段下现代和下一代无线通信系统实现的首选方案。实现基于HBT的高频电路的设计和优化的关键在于,使用有效且准确的HBT模型仿真模拟电路的各种性能。目前微波与毫米波电路仿真设计软件普遍采用的有源器件小信号等效电路模型的精度,受限于建模测量数据的测试频率范围和被测器件的偏置条件。HBT高频小信号等效电路模型的频率内插和偏置点外延的仿真能力均存在不足。并且随着工作频率的升高,HBT的小信号等效电路模型的复杂度也随之提升,从而增加了等效电路模型参数精确提取的难度,会使微波与毫米波HBT电路的研制成本提高和研制周期加长。本论文利用人工神经网络(Artificial neural network,ANN)在有源器件建模方面的有效性、准确性和简便性,针对毫米波频段下SiGe HBT高频噪声的ANN建模问题,开展了以下三个方面的应用研究工作。首先,考虑到有源器件ANN建模的核心是通过训练某种类型或结构下的ANN模型神经元参数,使其具有表征器件的工作条件与性能指标参数之间非线性关系的能力。鉴于ANN建模技术具有很强的泛化能力,不同的有源器件可能适用相似的ANN类型或拓扑机构及相同的优化训练算法,因此不同有源器件ANN建模的关键在于选取准确、可靠的训练数据和测试样本。为此,本文研究了SiGe HBT高频小信号等效电路模型参数的直接提取方法。其中,在等效电路充分表征HBT非准静态效应的基础上,通过数学分析等效电路导纳(Y)和阻抗参数(Z)模型的泰勒展开式,实现等效电路参数的精确提取,从而为训练本文所建的散射(S)参数ANN模型提供准确的宽频带S参数仿真数据奠定了基础。同时,针对SiGe HBT高频散粒噪声模型中Transport与SPICE模型精度不高的问题,本文给出了一种能够有效覆盖所有偏置条件的散粒噪声半经验统一模型,从而为验证本文所建的基于知识的四噪声参数ANN模型表征器件噪声偏置特性的精度提供了测试样本。其次,参考射频与微波器件ANN建模的经验,利用ANN建模的泛化能力,本文选取多层感知机的神经网络结构,采用遗传算法(GA)+Levenberg-Marquardt反向传播(Back Propagation,L-M BP)算法作为优化训练算法,建立了SiGe HBT的S参数ANN模型。其中,通过引入具有全局优化能力的GA算法,解决了BP神经网络L-M算法训练收敛速度慢且易限于局部极值的问题。经测试验证,证明了所建的S参数ANN模型在较宽的频带和偏置范围内,具有很好的内插能力。因此,采用所建的S参数ANN模型,能够易于连续获取任意偏置点和频率范围内的S参数数据,避免了复杂的S参数测量过程以及繁琐的等效电路参数提取过程。利用所建的S参数ANN模型生成的高精度仿真数据作为一种先验知识,为提高四噪声参数ANN建模的精度提供了保障。最后,本文建立了一种基于知识的四噪声参数ANN模型。模型类型为多层感知机,训练算法GA+L-M BP。建立该模型的目的是为了在较宽的频带和偏置范围内,能够快速、连续地表征SiGe HBT高频噪声的偏置和频率依赖性,从而能够避免HBT高频噪声分析和建模表征中对复杂的四噪声参数测量的海量要求,易于获任意偏置点和频率下的散粒噪声数据。为了验证所建的基于知识的四噪声参数ANN模型的预测精度,本文还给出了基于四噪声参数提取HBT二端口等效噪声模型噪声电流源功率谱密度的算法。实验结果表明,基于所建的基于知识的四噪声参数ANN模型的仿真提取结果与基于测量的半经验模型的仿真计算结果具有良好的一致性,验证了所建模型的有效性和精度。此外,通过与无知识的四噪声参数ANN模型相比,所建的基于知识的四噪声参数ANN模型在建模效率和建模精度上都具有明显的优势。

关键词：异质结双极晶体管人工神经网络散射参数四噪声参数散粒噪声

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短沟道MOSFET的毫米波噪声建模

电子技术应用 2018年第8期44卷 31-34,38页

作者：彭小梅赵爱峰王军西南科技大学信息工程学院四川绵阳621010

基于40 nm MOSFET的器件物理结构,建立了统一的MOSFET毫米波噪声模型,以此来表征漏极电流噪声、感应栅极电流噪声以及两者之间的互相关噪声的特性。通过将栅极过载效应引入高频噪声模型,使得统一模型具有良好的平滑性、准确性和连续性... 详细信息

基于40 nm MOSFET的器件物理结构,建立了统一的MOSFET毫米波噪声模型,以此来表征漏极电流噪声、感应栅极电流噪声以及两者之间的互相关噪声的特性。通过将栅极过载效应引入高频噪声模型,使得统一模型具有良好的平滑性、准确性和连续性。最后,将所建模型的仿真结果与传统的高频噪声模型进行对比,并且对比所建模型与传统模型的四噪声参数以及实测的数据来验证模型的有效性和精准性。

关键词： MOSFET 相关噪声毫米波四噪声参数