RF CMOS片上電感結(jié)構(gòu)及其模型的研究.pdf

1、隨著集成電路技術(shù)的逐步發(fā)展和移動(dòng)通訊市場(chǎng)的快速增長(zhǎng),以CMOS硅工藝為基礎(chǔ)的射頻集成電路得到極大的關(guān)注。片上電感作為射頻電路中的重要無(wú)源器件,在可實(shí)現(xiàn)阻抗匹配、可調(diào)諧負(fù)載、反饋、濾波等功能,在單元電路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。同時(shí),在射頻條件下,硅基片上電感的金屬損耗和襯底損耗都會(huì)變得相當(dāng)嚴(yán)重,不但大大降低了它的品質(zhì)因數(shù),也給建立高精度的電感模型帶來(lái)了很大困難。因此,在準(zhǔn)確分析片上電感工作機(jī)理

2、的基礎(chǔ)上,建立合理的等效電路模型,高效地提取模型參數(shù),從而準(zhǔn)確表征電感電磁學(xué)特性隨頻率變化的情況,對(duì)于射頻電路設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本文研究重點(diǎn)是硅基在片電感的結(jié)構(gòu)分析、建模建庫(kù)和仿真設(shè)計(jì)。
　　 本文首先介紹了硅襯底集成電感的三種類型,即有源電感、鍵合線電感和金屬互連線電感。隨后分析了電感的電磁場(chǎng)特性,介紹了電感的性能參數(shù),總結(jié)了損耗機(jī)制及建模方法等。電感的損耗機(jī)制著重討論了金屬損耗和襯底損耗。建模方法主要介紹了電磁場(chǎng)仿真、分段等效模

3、型和緊湊的集總模型,并根據(jù)建模的不同要求對(duì)這三類方法進(jìn)行了比較。
　　 利用已有的改進(jìn)型單兀模型,本文建立了一個(gè)電感scalable模型,即可縮放模型。該模型中所有元件參數(shù)值的公式都是基于電感線圈的填充密度。每個(gè)電感具有不同的填充密度,因此用包含它的等式來(lái)代表電感特性,公式簡(jiǎn)單,使用模型參數(shù)少,與其他文獻(xiàn)中的scalable方程比較,該模型在優(yōu)化系數(shù)總數(shù)量上大大減少,提高了建模建庫(kù)工作的效率。
　　 在分析和總結(jié)了前人的

4、工作基礎(chǔ)上,本文提出了一個(gè)新的雙π可縮放模型。該模型采用了新的元件結(jié)構(gòu)描述趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng),即趨膚效應(yīng)由三個(gè)R-L串聯(lián)支路組成的并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模擬,用支路電感之間的互感來(lái)表示鄰近效應(yīng)。同時(shí),由硅襯底渦流效應(yīng)引起的磁性襯底損耗也用一個(gè)R-L串聯(lián)支路表征。對(duì)于雙π等效電路,可縮放模型中元件初值均是根據(jù)版圖和工藝參數(shù),用具有物理意義的公式計(jì)算得到,通過(guò)添加一些優(yōu)化系數(shù)來(lái)提高擬合精度。該模型主要提高了模型在高頻時(shí)的精度,拓寬了模型的帶寬。采用基于S

5、MIC0.18μm RF CMOS工藝和華虹0.18μm RF CMOS工藝的平面螺旋電感分別對(duì)以上兩個(gè)模型庫(kù)進(jìn)行驗(yàn)證。從結(jié)果來(lái)看,仿真和測(cè)試數(shù)據(jù)擬合良好,能夠滿足電路設(shè)計(jì)的要求。新雙π可縮放模型的驗(yàn)證結(jié)果顯示大部分電感L和Q在直流～20GHz諧振點(diǎn)前的頻率范圍內(nèi)誤差不超過(guò)5％,具有很高的精度。
　　 最后,針對(duì)片上集成電感占據(jù)芯片面積偏大的問(wèn)題,本文提出了一種縱向螺旋電感,根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同,新型電感可分為單端、對(duì)稱和疊層三種結(jié)構(gòu)