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(zhǎng)，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?yàn)樵路降膶?dǎo)電性硅襯底會(huì)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(dāng)通過精心設(shè)計(jì)或者優(yōu)化來克服這些缺點(diǎn)，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(hào)的集成電路設(shè)計(jì)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(gè)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(duì)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(duì)每一種無源元件，首先對(duì)其工作原理進(jìn)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(jì)方面的一系列準(zhǔn)則。其次，分別為每種片上無源元件提供一種緊湊但準(zhǔn)確的等效電路模型，同時(shí)分別為這些模型配套設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(gè)方面：
　?、僭趥鬏斁€建模過程中，對(duì)傳輸線模型中的分段問題的考慮具有創(chuàng)新特點(diǎn)。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(shí)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(gè)衡量模型準(zhǔn)確性的指標(biāo)，本文因此提出了不對(duì)稱性x的指標(biāo)來衡量每一小段模型的準(zhǔn)確性，x越大則每一小段模型的準(zhǔn)確性越差。
　?、趶睦碚撋蠈?duì)相鄰電感之間的影響進(jìn)行分析計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果與電磁場(chǎng)軟件仿真的結(jié)果相吻合。根據(jù)理論計(jì)算，給出一系列減小電感間相互耦合的方法和規(guī)律。
　?、墼谄下菪姼械慕Ｖ校岢隽艘环N新穎的T等效電路模型。該模型雖然只包含10個(gè)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(gè)集總元件，也對(duì)這個(gè)特性的模擬束手無策。本文使用一種簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)優(yōu)化擬合。經(jīng)模型驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，該模型與測(cè)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(zhǔn)確性。
　　④在層疊式變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，通過定量計(jì)算分析兩種偏移方式對(duì)變壓器性能影響的差異，計(jì)算結(jié)果與電磁場(chǎng)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(gè)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(gè)集總元件就能精確模擬整個(gè)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(jì)算機(jī)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(yàn)證發(fā)現(xiàn)，該模型與測(cè)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(zhǔn)確性。
　?、藁趥鹘y(tǒng)的П型片上變壓器模型，設(shè)計(jì)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(dá)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?duì)不同接地方式下的片上集成變壓器的不同性能進(jìn)行了比較。借助于電磁場(chǎng)仿真器，分析了片上變壓器在兩種接地方式下其電場(chǎng)和磁場(chǎng)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(duì)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(yàn)證了前面分析的合理性。
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