硅基射頻集成無源元件的研究與建模.pdf

1、隨著無線通信系統(tǒng)在低功耗、低成本、高集成度等方面的快速增長，基于硅襯底的片上無源元件在射頻集成電路中越來越受到重視。一方面，硅基片上無源元件的性能尚不能滿足射頻集成電路的需求，這是因為元件下方的導電性硅襯底會消耗元件的一部分能量而惡化元件的性能。例如，片上螺旋電感在射頻集成電路中的典型Q值一般都小于10。因而，研究者們應(yīng)當通過精心設(shè)計或者優(yōu)化來克服這些缺點，使得片上無源元件的性能得到有效的提高。另一方面，射頻或者混合信號的集成電路設(shè)計流

2、程中需要精確的無源元件模型。為了與常用的電路仿真器(如SPICE)相兼容，這些等效電路模型必須只包含諸如集總R、L、C等頻率不相關(guān)的元件。另外，等效電路模型必須足夠緊湊(即在滿足模型精度的前提下盡量減少模型中集總元件的個數(shù))，這樣不但可以加快整體電路的仿真速度，而且有利于模型參數(shù)的直接提取。
　　本論文主要對3種典型的片上無源元件，即傳輸線、螺旋電感和集成變壓器(包括變壓器式巴倫)展開討論。針對每一種無源元件，首先對其工作原理進行

3、深入的了解和研究，在此基礎(chǔ)上提出關(guān)于該元件優(yōu)化設(shè)計方面的一系列準則。其次，分別為每種片上無源元件提供一種緊湊但準確的等效電路模型，同時分別為這些模型配套設(shè)計簡單而有效的模型參數(shù)提取方法。
　　本論文的主要內(nèi)容和成果分為以下幾個方面：
　　①在傳輸線建模過程中，對傳輸線模型中的分段問題的考慮具有創(chuàng)新特點。傳輸線基本理論只是籠統(tǒng)地提及傳輸線分段數(shù)越大則模型越精確，理想情況下分段數(shù)無窮大，則模型完全接近傳輸線特性。實際建模過程中只

4、能將傳輸線分成有限段，因而關(guān)于分段數(shù)來說缺乏一個衡量模型準確性的指標，本文因此提出了不對稱性x的指標來衡量每一小段模型的準確性，x越大則每一小段模型的準確性越差。
　?、趶睦碚撋蠈ο噜忞姼兄g的影響進行分析計算，其計算結(jié)果與電磁場軟件仿真的結(jié)果相吻合。根據(jù)理論計算，給出一系列減小電感間相互耦合的方法和規(guī)律。
　　③在片上螺旋電感的建模中，提出了一種新穎的T等效電路模型。該模型雖然只包含10個集總元件，卻能精確描述等效串聯(lián)電阻

5、隨頻率下降的特性，而傳統(tǒng)的單П模型即使包含11個集總元件，也對這個特性的模擬束手無策。本文使用一種簡單的參數(shù)提取方法來獲取該模型的所有參數(shù)，不需要任何計算機優(yōu)化擬合。經(jīng)模型驗證發(fā)現(xiàn)，該模型與測試數(shù)據(jù)在自諧振頻率以下均吻合得很好，充分證明了該模型的準確性。
　　④在層疊式變壓器的優(yōu)化設(shè)計中，通過定量計算分析兩種偏移方式對變壓器性能影響的差異，計算結(jié)果與電磁場仿真結(jié)果基本一致。
　?、萏岢隽艘环N新型的T等效電路模型來模擬片上集成

6、變壓器。傳統(tǒng)的變壓器模型通常是將兩個螺旋電感模型(單П或雙П結(jié)構(gòu))組合在一起，而本文所提出的模型與傳統(tǒng)模型完全不同，只需要用12個集總元件就能精確模擬整個變壓器結(jié)構(gòu)。本文同樣提供了該模型的參數(shù)提取方法，該參數(shù)提取法十分方便，不需要利用計算機反復(fù)優(yōu)化擬合就能獲取模型的所有參數(shù)值。經(jīng)模型驗證發(fā)現(xiàn)，該模型與測試數(shù)據(jù)在很寬的頻帶內(nèi)均吻合得很好，充分證明了該模型的準確性。
　　⑥基于傳統(tǒng)的П型片上變壓器模型，設(shè)計出一種新型的模型參數(shù)提取方法

7、。用此方法生成的模型能在很寬的頻帶內(nèi)達到很高的精度，成功克服了傳統(tǒng)模型參數(shù)難以提取的瓶頸。
　?、邔Σ煌拥胤绞较碌钠霞勺儔浩鞯牟煌阅苓M行了比較。借助于電磁場仿真器，分析了片上變壓器在兩種接地方式下其電場和磁場方面的差異，從電路角度考慮，將這兩方面的差異歸結(jié)為寄生電容和寄生電感的差異。對兩種接地方式下的片上集成變壓器分別建立了等效電路模型，并提取出所有的模型參數(shù)值，而模型參數(shù)值的比較結(jié)果驗證了前面分析的合理性。
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