射頻(RF)領(lǐng)域的問題可以分為小信號和大信號兩大類。基于TCAD的小信號的預(yù)測時(shí)常很困難，這是因?yàn)閷⑵骷匦詮?fù)制到仿真器中會非常復(fù)雜。在大信號預(yù)測中，則可能會因?yàn)椴僮飨拗坪推骷牟焕硐攵鴮?dǎo)致失真。在那些我們能夠準(zhǔn)確仿真小信號解決方案的實(shí)例中，也同樣可能可以仿真大信號解決方案。

TCAD原理

讓我們看看圖1顯示的一個(gè)實(shí)際問題，無論小信號和大信號放大器都會出現(xiàn)此類問題。在小信號情況下，放大器通常為A類放大器，我們假設(shè)是共軛匹配(conjugate match)，設(shè)計(jì)是公式化的。在大信號情況中，放大器可以是AB類甚或B類，這種情況下的最佳性能選用的匹配通常不是共軛匹配。這種大信號放大器的設(shè)計(jì)通常是在測試實(shí)驗(yàn)室中，通過對輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)、輸入偏置和諧波終端(harmonic termination)的最優(yōu)化實(shí)現(xiàn)的。如果同時(shí)考慮這些參數(shù)和本征器件(intrinsic device)設(shè)計(jì)參數(shù)的話，就會得出較大的研究空間。對于經(jīng)常采用不同技術(shù)的多級放大器就有可能導(dǎo)致這種參數(shù)的劇增。

為了了解不同器件設(shè)計(jì)的性能，我們不應(yīng)該在相同的匹配、諧波終端和偏置上對所有器件設(shè)計(jì)進(jìn)行比較，而是必須與那些產(chǎn)生器件設(shè)計(jì)的最佳性能的值進(jìn)行比較。通過比較放大器中每一種器件的最優(yōu)性能條件，就可以做出最佳性能器件設(shè)計(jì)的選擇。

這就為所考慮的電路和器件的全部大信號仿真提出了一個(gè)清楚的案例。如果工程師希望評估當(dāng)時(shí)還沒有已測量數(shù)據(jù)的新器件，就必須采用TCAD解決方案。TCAD數(shù)據(jù)的大信號仿真通過四種方法完成：

1. 在TCAD中采用混合模式的瞬態(tài)仿真；

2. 在TCAD工具中直接采用集成的諧波平衡(Harmonic Balance)進(jìn)行大信號仿真；

3. 特殊工具將復(fù)合仿真結(jié)果和電路設(shè)計(jì)整合；

4. 從TCAD數(shù)據(jù)提取大信號緊湊模型，并使用這些模型來理解大信號特征參數(shù)。

研究采用最基本方法，即混合模式進(jìn)行仿真的可能性非常重要。在混合模式中，瞬態(tài)電路仿真直接在TCAD軟件中完成。在通常情況下，電路設(shè)計(jì)師并不采用瞬態(tài)仿真而是采用諧波平衡來解決這些大信號仿真問題。面臨的挑戰(zhàn)主要是在工作臺(workbench)內(nèi)準(zhǔn)確描述RF電路，然后采用簡單的單(或雙)頻率載波(CW)輸入功率掃描，執(zhí)行TCAD仿真。瞬態(tài)仿真必須在穩(wěn)定狀態(tài)下執(zhí)行，可能需要幾個(gè)周期的時(shí)間。在器件處于壓縮時(shí)，這種仿真可能會面臨更多數(shù)值上的挑戰(zhàn)。所仿真的時(shí)間序列必須足夠長，才能描述所需的最低頻率。對于雙音或多音(tone)問題，可能需要很長時(shí)間的瞬態(tài)仿真。因此，運(yùn)行功率掃描可能非常耗時(shí)。此外，混合模式工作臺的設(shè)計(jì)大多非常糟糕，因?yàn)樗鄙傧駨?fù)抗阻這樣的關(guān)鍵項(xiàng)。對于實(shí)際電路而言，這種方法的主要問題是速度和收斂。

第二種方法是在TCAD仿真工具中實(shí)現(xiàn)諧波平衡。諧波平衡方法更正確的稱呼是KCL-HB或基爾霍夫電流定律諧波平衡，用于安捷倫公司的先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(ADS)、Cadence的Spectre-RF，以及在RF和模擬設(shè)計(jì)中常用的其它電路仿真器。諧波平衡是一種非線性的頻域技術(shù)，用于確定具有較寬頻率變化內(nèi)容的系統(tǒng)的準(zhǔn)周期穩(wěn)態(tài)解決方案。這種方法采用下列等式：

該等式描述了線性和非線性電路電流之間的關(guān)系，括號中的參數(shù)是線性部分，其余的是非線性部分的。Is是電源電流，Y是線性電路導(dǎo)納矩陣(admittance matrix)，V是內(nèi)部節(jié)點(diǎn)電壓矢量，Ω是對角線上的角頻率矩陣，Q是頻域中的電荷矢量，IG是頻域中的非線性電路的電流。當(dāng)線性和非線性電路達(dá)到平衡時(shí)，這種解決方案就開始收斂。

利用TCAD的實(shí)現(xiàn)方案需要大量開發(fā)工作。盡管這一領(lǐng)域有了大量的研究和源于大學(xué)的程序可用，但市場上一直沒有提供可靠的工具。諧波平衡是大信號RF問題采用的一種方法，通常在電路仿真工具中執(zhí)行。諧波平衡是一種非線性頻域穩(wěn)態(tài)仿真。

線性電路組件僅在頻域中進(jìn)行建模，非線性組件在時(shí)域中建模，并且在每一步都轉(zhuǎn)換到頻域。運(yùn)算法則一般將這種處理的諧波數(shù)量限制在7~11次。達(dá)到11次的內(nèi)存要求是4~8GB，還不包括器件仿真所需的內(nèi)存?？梢允褂眯枰^少內(nèi)存的迭代解決方案。由于資源有限，這些內(nèi)容要求導(dǎo)致了諧波次數(shù)限制，多級放大器的分析目前不能采用這種方法。掃描可能需要幾個(gè)小時(shí)，而實(shí)際器件所需的時(shí)間可能會更長。