硅基射頻集成電路片上無源元件的設計與建模.pdf

1、隨著無線通信、衛(wèi)星導航、射頻識別、移動電視等射頻微波應用系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，小型化、高性能、低成本和低功耗消費類應用電子設備的市場需求激發(fā)了人們對于單芯片系統(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成為實現(xiàn)SOC的首選。然而，高品質無源元件的缺乏成為實現(xiàn)SOC的瓶頸之一。
　　 片上無源元件，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計中

2、應用廣泛。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，而巴倫在需要實現(xiàn)單端差分轉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構的復雜性，基于RF CMOS工藝實現(xiàn)高品質片上集成變壓器和巴倫等無源元件是射頻單芯片系統(tǒng)研究領域中極具挑戰(zhàn)性的課題。本論文基于RF CMOS工藝，對片上集成變壓器、巴倫等無源元件的設計優(yōu)化與建模進行了深入研究。
　　 本文首先從電磁場和電路基本理論入手，分析了無源元

3、件的基本特性以及設計優(yōu)化的標準，討論并定義了片上集成無源元件設計的優(yōu)值；在對金屬導體中的趨膚效應和鄰近效應以及電磁波在有耗硅基襯底中傳播模式分析的基礎上，以基于矢量勢和標量勢的理論公式分別揭示了片上無源元件在金屬導體和半導體襯底中的各種損耗機制；比較了常用電磁場數(shù)值分析方法的優(yōu)缺點，討論了集成芯片環(huán)境下提高片上無源元件電磁場數(shù)值分析效率及精度的方法。通過與實際測試結果相比較驗證了電磁場數(shù)值分析結果的可靠性。
　　 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)化設計方法。首先比較了多種變壓器版圖結構的性能，隨后通過大量仿真和分析比較確定了片上集成變壓器各設計參數(shù)與耦合系數(shù)、優(yōu)值及頻率相關帶寬等性能參數(shù)之間的關系，提出了根據耦合系數(shù)、優(yōu)值曲線以及頻率相關1dB帶寬曲線相結合對片上集成變壓器進行優(yōu)化設計的方法。
　　 接下來，在全面總結了片上無源元件各種模型分類及特點之后，結合片上集成電感的等效電路模型，對片上集

5、成電感類無源元件的各種高頻效應及其建模方法進行了詳盡討論。在此基礎上分別建立了共面交叉互繞和疊層兩種結構片上集成變壓器的頻率無關等效電路模型，提取了模型參數(shù)，并分別通過電磁場仿真與流片測試驗證了模型的精度。
　　 最后，分別基于LC集總元件、傳輸線以及變壓器等三種結構系統(tǒng)全面的討論了在半導體硅基襯底上設計集成無源巴倫的方法，并結合TSMC0.18μm和0.13μm RF CMOS工藝比較了上述三種結構片上集成巴倫的性能。并對片上