基于ADS的PDK—DemoKit的切比雪夫滤波器RF芯片设计

由于版权原因，很少有完整的ADS的PDK在网上流传的，网上CSDN里面一些台积电的PDK都是只能老版本ADS2008才能用，或者干脆是Cadence导出来的（Cadence导出PDK到ADS参考教程：https://bbs.eetop.cn/thread-890588-1-1.html），但是Cadence导出来的东西版图仿真好像不太行，我也没专门试过，感兴趣可以研究一下。

虽然其他厂家的PDK是保密有版权，但是ADS自己提供了一个DemoKit，是一个经典的射频MMIC的PDK，我用起来感觉和其他厂的差不多，就是版图生成的结构容易乱糟糟的，可以供大家研究学习的。在此使用ADS的DemoKit设计一个切比雪夫滤波器玩玩，非常简单又可以加深理解的好材料。

ADS自带PDK的目录：ADS2023\examples\DesignKit\DemoKit_Non_Linear\DemoKit_Non_Linear_v2.0

工程链接下载：使用ADS的MMIC的样例PDK-DemoKit设计一个切比雪夫滤波器-ADS工程
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0、实现效果展示

设计目标是通带截止频率为10GHz，阻带频率为15GHz，通带波纹为0.05dB，阻带衰减为-40dB，对应的理想形式是这样的：

0.1、版图展示

0.2、S参数展示

左边是理想的切比雪夫响应曲线，右边是版图仿真的实际响应曲线，可以看到版图仿真的结果在高频处效果相差非常大。这是因为使用的电感、电容器件的电抗并非理想不变，在高频的偏差非常大，因此高频的响应也会low一点：

1、理想的集总参数切比雪夫设计

1.1、使用filtersolution2019进行集总参数切比雪夫设计

设计目标是通带截止频率为10GHz，阻带频率为15GHz，通带波纹为0.05dB，阻带衰减为-40dB，我们需要根据设计目标得到切比雪夫的实际集总参数电路，在此使用软件filtersolution2019来进行设计。设计流程可以参考04、ADS使用记录之S仿真控制器的使用&椭圆低通滤波器设计，此处直接放出了结果，实际上使用8阶的就可以满足效果，但是为了留有余量，选择了9阶的电路进行实现：

在ADS中构建上述电路图，并和理想的切比雪夫响应进行对比（下图下方的器件是理想的切比雪夫响应）：

运行仿真，发现结果是基本一致的：

1.2、使用OPTIM使电路响应和理想响应趋于一致

但是，虽然肉眼一致，但是实际上可能有所区别。理想的切比雪夫响应器件来自与切比雪夫函数，是非常精准的，因此构建如下的OPTIM模板，对电路的集总参数器件进行优化，使得两者的响应趋于一致（使用模拟退火优化算法）：

优化后几乎完全一致了，大家可以将前后的阻带部分和上面的原始电路得到的进行对比：

2、集总参数转换为PDK元件

STEP1:电感替换为（螺旋电感+小的理想电感）- 原理图MMIC_Filter_1

在理想的器件仿真中，电感的值是可以随意设置的，但是在实际的MMIC设计中，电感都是螺旋电感，是一圈一圈的，在DEMO KIT中，电感最短是一圈，然后可以以0.25的step增加。0.25就是四分之一圈，相当于正方形的一条边。因此替换后的数值是这样的：

理想情况下，一个原来的1.163nH的电感可以拆分成0.96nH和0.203nH的电感的和，但是在实际情况下，拆分的影响是不可控的。因此我们实际上还是构建了优化，优化目标和原来一致，就是使得电路响应和理想的切比雪夫响应趋于一致。优化的过程点击OPTIM就行，最终得到的结果如下所示，可以看到在这一步响应和理想的还是比较接近的：

STEP2:电容替换为PDK的实际电容 - 原理图MMIC_Filter_2

在理想的器件仿真中，电容的值是可以随意设置的，对于MMIC的设计，电容的值可取范围也几乎可以被认为是在有限范围内随意设置，因为电容不像电感那样只能绕STEP为0.25的圈。在DEMO KIT中，只要给定电容容值，就能得到方块电容所需的宽度：

在设计时，还需要考虑电容和器件的连接，需要加额外的微带线，这个微带线宽度一般适中即可。此外，电容的接地需要使用过孔Via来实现：

由于我们对电路图进行了修改，我们需要重新运行OPTIM使得电路响应和理想的切比雪夫响应一致，优化的过程点击OPTIM就行，最终得到的结果如下所示：


可以看到进行理想电容替换之后，电路响应已经无法和理想响应一致了，但是没有关系，只要能满足我们的设计要求就行了。

STEP3:小的理想电感替换为细微带线 - 原理图MMIC_Filter_3

在STEP1:电感替换为（螺旋电感+小的理想电感）中，我们仍然剩余了小的理想电感，了解过微带线的同学都知道，细微带线等效于电感的，因此可以使用细微带线对理想小电感进行替换，理论和实践可以参考：使用微带线快速进行电感、电容的等效（Matlab代码实现）、使用ADS确定元器件的等效感值与等效容值。

在DEMO KIT中，有一个非常便捷的地方，就是给定长宽能够直接告诉你等效电感的值，如：

查看我们之前的电路图可以看到，每个螺旋电感左右都有一个理想的电感需要被等效，但是我们需要将其变为如下的左右都有的形式，但是保持总的等效感值不变。这样可以在等效的同时保证能够将多个器件连接起来：

此外，在输入和输出的Term后加上PAD，对于MMIC的引脚都是用键合线连到PAD上，然后再伸出去的；还要用MTEE对结构进行链接：

整体的结构如下所示，当然还需要在这个结构的基础上进行OPTIM使得电路响应和理想的切比雪夫响应一致，优化的过程点击OPTIM就行：：

OPTIM最终得到的结果如下所示，可以看到虽然和理想响应不太一致，但是效果还是不错的：

STEP4:初步版图仿真验证性能 - 原理图MMIC_Filter_4

在这一步，我们要初步进行版图仿真，将原理图update到layout然后在排版，此处初步排版一下即可，主要看看大致的性能：

版图仿真得到的结果如下所示（左边版图效果，右边理想响应），可以看到由于版图排版的比较松垮垮，版图仿真的效果还是可以的：

STEP5:版图排版和微调的CO-sim - 原理图MMIC_Filter_5、MMIC_Filter_6

在此先对版图进行排版，然后构建版图和原理图的联合仿真，这样调参要方便一点。版图优化可以参考ADS版图优化方法—使用EM-Cosimulation对版图进行OPTIM进行设置。此处布局如下（！！！注意，如果版图排版不当导致寄生效应太大，可能无论如何都不能实现要求！！！，新手的化还是要松一点排版）：

在MMIC_Filter_6中进行版图的调试，通过设置SYMBOL的参数就能快速对版图的器件参数进行修改，非常方便：


版图仿真不能优化了，基本只能靠经验手动调试了，这种简单电路如果版图布局没有问题的话，出现频移的概率比较大，需要手动给定shift过去，保证版图效果好，我最终得到的结果如下：

效果杠杠的：

STEP6:最终版图的生成 - 原理图MMIC_Filter_Layout

EM-Cosimulation在原理图修改symbol参数，不会对其对应的版图结构进行修正的。因此需要使用我们得到的最终参数重新生成版图，如下：

下图左边是理想的切比雪夫响应，版图仿真效果（下图右侧）还是可以的，和之前的EM-Cosimulation几乎一致：