片上無源器件建模和分布式放大器研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代通信的迅猛發(fā)展，人們對通訊系統(tǒng)的要求越來越高。其中小型化和低功耗兩項(xiàng)最為重要，因此，采用單片集成電路來實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)已經(jīng)成為必然。CMOS工藝在量產(chǎn)和生產(chǎn)成本方面具有其他工藝無法替代的優(yōu)勢，全CMOS單片集成通信電路必將成為通信系統(tǒng)的最終解決方案。 然而，高品質(zhì)片上無源元件的缺乏成為CMOS射頻微波集成電路設(shè)計的瓶頸之一。作為最重要的片上無源器件之一，傳輸線在阻抗匹配、片上電感、濾波器、耦合器、功率分配等電路設(shè)計方面發(fā)揮重

2、要作用，尤其是10GHz以上的微波電路應(yīng)用更加明顯。作為片上最常見的兩種傳輸線類型，微帶線和共面波導(dǎo)由于性能優(yōu)越、加工方便，使用范圍越來越廣泛。但是目前制約射頻微波電路技術(shù)發(fā)展的最大瓶頸在于代工廠并不能提供完整的無源器件的設(shè)計模型，EDA設(shè)計工具也普遍缺乏結(jié)合具體工藝的高效結(jié)構(gòu)模型，導(dǎo)致電路設(shè)計者無法保證現(xiàn)有電路的設(shè)計精度。目前0.13μm CMOS工藝上有源器件的截止頻率f<,T>已經(jīng)超過100GHz，而無源器件的模型研究嚴(yán)重滯后，大

3、大限制了工藝的推廣和相關(guān)電路的研制。 本文正是以目前流行的0.13μm CMOS工藝為背景，以微帶線和共面波導(dǎo)為研究對象，對其建模技術(shù)展開研究。在閱讀大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對硅襯底上微波傳輸線的特性以及制備方法進(jìn)行全面的分析和總結(jié)，結(jié)合現(xiàn)有儀器設(shè)備和工藝水平，確定了研究方向。 運(yùn)用保角映射、MoM仿真手段以及測量法對0.13μm CMOS工藝上微帶線和共面波導(dǎo)的工作機(jī)制、物理特性等作了詳細(xì)的分析，其中包括襯底損耗影響和趨膚效

4、應(yīng)等高頻非線性的影響。針對傳輸線存在三種不同的工作模式，給出了適用的等效模型。設(shè)計并制備了30Ω、50Ω、70Ω特征阻抗的微帶線和30Ω、50Ω、70Ω、100Ω的共面波導(dǎo)?；诙丝诰W(wǎng)絡(luò)模型，研究了幾何尺寸及硅基工藝參數(shù)對傳輸線分布參數(shù)的影響，并給出了相應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則。 作為對低阻襯底上傳輸線的補(bǔ)充，對MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))工藝上共面波導(dǎo)進(jìn)行了研究，采用全波分析法對梯型槽和w型槽結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了理論分析，設(shè)計制作了30Ω、50

5、Ω、75Ω、100Ω特征阻抗的共面波導(dǎo)。 基于行波理論，采用簡化的MOSFET模型和低損耗無源器件模型和前述無源器件的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，對完全集成的CMOS分布式放大器進(jìn)行了理論分析和研究，導(dǎo)出了有耗模型下的分布式放大器方程組。為了獲得寬頻段范圍內(nèi)增益的平坦度，采用了鏡像阻抗匹配方法。最后采用共源共柵結(jié)構(gòu)和國內(nèi)工藝成功設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一個四級CMOS分布式放大器。測試結(jié)果表明：對構(gòu)成等效傳輸線的無源器件的電路模型進(jìn)行很好的優(yōu)化設(shè)計，就可以得到