硅基射頻集成電路片上無(wú)源元件的設(shè)計(jì)與建模.pdf

1、隨著無(wú)線通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、射頻識(shí)別、移動(dòng)電視等射頻微波應(yīng)用系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，小型化、高性能、低成本和低功耗消費(fèi)類應(yīng)用電子設(shè)備的市場(chǎng)需求激發(fā)了人們對(duì)于單芯片系統(tǒng)(SOC:System Ona Chip)的極大興趣。硅基CMOS工藝因具有低成本、低功耗及高集成度等特點(diǎn)成為實(shí)現(xiàn)SOC的首選。然而，高品質(zhì)無(wú)源元件的缺乏成為實(shí)現(xiàn)SOC的瓶頸之一。
　　 片上無(wú)源元件，尤其是片上集成變壓器及巴倫等，作為改善電路性能的重要元件在射頻集成電路設(shè)計(jì)中

2、應(yīng)用廣泛。其中，變壓器在現(xiàn)代低壓CMOS射頻集成電路中具有特殊重要性，而巴倫在需要實(shí)現(xiàn)單端差分轉(zhuǎn)換的電路中更是不可或缺。但由于硅基工藝襯底的高損耗特性以及元件自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，基于RF CMOS工藝實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)片上集成變壓器和巴倫等無(wú)源元件是射頻單芯片系統(tǒng)研究領(lǐng)域中極具挑戰(zhàn)性的課題。本論文基于RF CMOS工藝，對(duì)片上集成變壓器、巴倫等無(wú)源元件的設(shè)計(jì)優(yōu)化與建模進(jìn)行了深入研究。
　　 本文首先從電磁場(chǎng)和電路基本理論入手，分析了無(wú)源元

3、件的基本特性以及設(shè)計(jì)優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)，討論并定義了片上集成無(wú)源元件設(shè)計(jì)的優(yōu)值；在對(duì)金屬導(dǎo)體中的趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)以及電磁波在有耗硅基襯底中傳播模式分析的基礎(chǔ)上，以基于矢量勢(shì)和標(biāo)量勢(shì)的理論公式分別揭示了片上無(wú)源元件在金屬導(dǎo)體和半導(dǎo)體襯底中的各種損耗機(jī)制；比較了常用電磁場(chǎng)數(shù)值分析方法的優(yōu)缺點(diǎn)，討論了集成芯片環(huán)境下提高片上無(wú)源元件電磁場(chǎng)數(shù)值分析效率及精度的方法。通過(guò)與實(shí)際測(cè)試結(jié)果相比較驗(yàn)證了電磁場(chǎng)數(shù)值分析結(jié)果的可靠性。
　　 然后，基于TS

4、MC0.18μm和0.13μm RF CMOS工藝，討論了片上集成變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。首先比較了多種變壓器版圖結(jié)構(gòu)的性能，隨后通過(guò)大量仿真和分析比較確定了片上集成變壓器各設(shè)計(jì)參數(shù)與耦合系數(shù)、優(yōu)值及頻率相關(guān)帶寬等性能參數(shù)之間的關(guān)系，提出了根據(jù)耦合系數(shù)、優(yōu)值曲線以及頻率相關(guān)1dB帶寬曲線相結(jié)合對(duì)片上集成變壓器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。
　　 接下來(lái)，在全面總結(jié)了片上無(wú)源元件各種模型分類及特點(diǎn)之后，結(jié)合片上集成電感的等效電路模型，對(duì)片上集

5、成電感類無(wú)源元件的各種高頻效應(yīng)及其建模方法進(jìn)行了詳盡討論。在此基礎(chǔ)上分別建立了共面交叉互繞和疊層兩種結(jié)構(gòu)片上集成變壓器的頻率無(wú)關(guān)等效電路模型，提取了模型參數(shù)，并分別通過(guò)電磁場(chǎng)仿真與流片測(cè)試驗(yàn)證了模型的精度。
　　 最后，分別基于LC集總元件、傳輸線以及變壓器等三種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)全面的討論了在半導(dǎo)體硅基襯底上設(shè)計(jì)集成無(wú)源巴倫的方法，并結(jié)合TSMC0.18μm和0.13μm RF CMOS工藝比較了上述三種結(jié)構(gòu)片上集成巴倫的性能。并對(duì)片上