RF-CMOS片上螺旋電感模型及模型庫(kù)的開發(fā).pdf

1、隨著硅集成電路技術(shù)和無(wú)線通訊市場(chǎng)的快速發(fā)展,以系統(tǒng)級(jí)芯片為趨勢(shì)的硅基射頻集成電路(RFIC)逐漸以低成本、低功耗等優(yōu)勢(shì)崛起。電感作為重要的無(wú)源器件,在電路中可實(shí)現(xiàn)阻抗匹配、可調(diào)諧負(fù)載、反饋、濾波等功能,在RFIC單元電路如低噪聲放大器(LNA)、壓控振蕩器(VCO)、混頻器(Mixer)、濾波器(Filter)、功率放大器(PA)中扮演著舉足輕重的角色,其設(shè)計(jì)和優(yōu)化已成為整個(gè)電路成功設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中,由于硅襯底是有損

2、耗的,使得硅基片上螺旋電感的品質(zhì)因數(shù)普遍不高。同時(shí),以硅材料為襯底的電路,其工作性能也會(huì)因?yàn)殡S工作頻率上升而出現(xiàn)的各種損耗(尤其是襯底損耗)而惡化。目前,隨著工藝尺寸的減小,射頻集成電路的應(yīng)用頻率越來越高,可達(dá)到幾十甚至幾百GHz。在如此高的頻率下,電感中的高頻寄生效應(yīng),如金屬的趨膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)以及襯底的渦流效應(yīng)等,都會(huì)變得非常嚴(yán)重,這也為準(zhǔn)確建立電感模型增加了難度。因此,有效地分析并獲得硅襯底在片螺旋電感的電路模型及其參數(shù),掌握電感

3、性能隨工作頻率改變的特性,以用于電感的設(shè)計(jì)和優(yōu)化,已成為實(shí)現(xiàn)硅襯底射頻/毫米波集成電路的一個(gè)非常重要的課題。本文主要研究硅襯底在片螺旋電感的分析、仿真和建模。
　　 本文首先介紹片上螺旋電感相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí),包括電感的結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)、損耗機(jī)制和建模方法等。在電感的損耗機(jī)制中,本文著重介紹兩大損耗,即金屬損耗和襯底損耗。建模方法主要分析了電磁場(chǎng)仿真和等效電路模型,并總結(jié)了它們的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。
　　 在總結(jié)和對(duì)比了現(xiàn)有的等

4、效電路模型之后,本文提出了兩個(gè)新模型,它們分別是單π和雙π模型。新的單π模型是一個(gè)寬帶模型,采用一個(gè)橫跨在兩個(gè)端口之間、與直流電感相耦合的R-L-C網(wǎng)絡(luò)來表征渦流效應(yīng),同時(shí)在傳統(tǒng)的R-C襯底網(wǎng)絡(luò)中串聯(lián)一個(gè)R-L并聯(lián)支路來表征襯底損耗。該模型主要提高了單π模型在高頻時(shí)的精度,拓寬了模型的帶寬。新的雙π模型改變了趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的描述方式。模型中用一個(gè)由三個(gè)R-L串聯(lián)支路組成的并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來描述趨膚效應(yīng),鄰近效應(yīng)則用它們相互之間的互感來表示。

5、同時(shí),新的單π模型中的襯底網(wǎng)絡(luò)也適用于該模型,可以拓展其帶寬。
　　 最后,本文利用已見諸于報(bào)道的單π和雙π模型以及本文提出的雙π模型,建立了三個(gè)電感scalable模型,即模型庫(kù)。這三個(gè)模型庫(kù)可分為兩種類型:(1)基于已見諸于報(bào)道的單π和雙π模型的電感模型庫(kù),我們采用了經(jīng)驗(yàn)的方法,先對(duì)一批電感進(jìn)行參數(shù)提取和優(yōu)化,再總結(jié)模型中各元件參數(shù)值的規(guī)律,用與尺寸相關(guān)的數(shù)學(xué)公式來表示等效電路元件值。(2)基于本文提出的雙π模型的電感模型庫(kù)