硅基片上螺旋電感建模及其在射頻芯片中的應(yīng)用.pdf

1、近年來(lái)，無(wú)線通信飛速發(fā)展的市場(chǎng)對(duì)重量輕、體積小、功耗低、成本低的收發(fā)器的大量需求以及微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得硅基片上螺旋電感作為射頻集成電路的重要器件成為了當(dāng)今科技研究的熱點(diǎn)。
　　在大量文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，本文總結(jié)了片上電感的研究現(xiàn)狀與發(fā)展態(tài)勢(shì)，歸納了片上電感RLC模型的三種類型，研究了它們的建立思想和原理，總結(jié)了它們的優(yōu)點(diǎn)及不足。
　　本文詳細(xì)論述了片上電感感值的主流算法—Greenhouse分段疊加算法、Jenei整體

2、平均值算法的建立思想和原理，用這兩種算法分別推導(dǎo)了片上方形螺旋電感自感值、互感值以及總感值的表達(dá)式，并總結(jié)了這兩種算法各自的優(yōu)缺點(diǎn)。
　　本文采用電磁場(chǎng)理論詳細(xì)論述了硅集成電路中的高頻效應(yīng)—趨膚效應(yīng)，鄰近效應(yīng)和襯底渦流損耗效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理及物理意義，模擬并分析了高頻效應(yīng)對(duì)片上電感電感值和電阻值的影響，研究了片上電感金屬層渦流效應(yīng)和襯底渦流效應(yīng)的經(jīng)典模型，并總結(jié)了它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)。
　　在此研究基礎(chǔ)上，基于電磁學(xué)和電路理論，結(jié)合

3、部分元等效電路法和耦合變壓器法，自主提出了一種新的硅基片上螺旋電感等效電路模型。該模型采用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)，并應(yīng)用全波電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS和經(jīng)典模型對(duì)結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)不同的電感進(jìn)行模擬，將它們的模擬結(jié)果相對(duì)比，得到以下結(jié)果：在20GHz范圍內(nèi)由該模型導(dǎo)出的等效電感Leff、等效電阻Reff和Q值與全波三維電磁場(chǎng)仿真結(jié)果相比，誤差在8％以內(nèi)。證明該模型具有足夠高的精確度，并且由于其效率遠(yuǎn)高于全波仿真法，在螺旋電感的優(yōu)化設(shè)計(jì)中將更適用。

4、
　　最后，基于TSMC0.35μm CMOS工藝采用本文提出的片上電感模型設(shè)計(jì)了以2.4GHz為中心頻率的窄帶低噪聲放大器，并利用Cadence中的Spectre RF對(duì)LNA的主要性能指標(biāo)進(jìn)行了模擬仿真，得到的結(jié)果如下：2.4GHz時(shí)LNA的S11=-31dB，S22=-42dB，S21=11dB，S12=-46dB，噪聲系數(shù)為3.1dB，三階輸入交調(diào)點(diǎn)為433mdBm，1dB壓縮點(diǎn)為-12dBm，總功耗約為8mW，滿足了設(shè)計(jì)