片上變壓器的建模和參數(shù)提取方法的研究.pdf

1、無線通信技術(shù)日新月異的發(fā)展，使得射頻集成電路不斷向著小型化、低功耗、低成本、高集成度的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展。而片上變壓器作為其中重要的無源器件，不僅可以用于低噪聲放大器(LNA)、壓控振蕩器(VCO)、雙平衡混頻器(Mixer)和功率放大器(PA)等電路中以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配、差分與單端信號(hào)轉(zhuǎn)換、交流耦合和增加帶寬等功能，還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)和功率的隔離傳輸，在射頻集成電路、數(shù)字隔離器以及DC/DC轉(zhuǎn)換器中都得到了廣泛地應(yīng)用。但由于現(xiàn)有的大多數(shù)工藝庫中并不

2、提供通用的片上變壓器模型，給電路的設(shè)計(jì)和仿真帶來了很大困難，因此建立變壓器的等效電路模型是非常必要的。同時(shí)片上變壓器復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、高頻時(shí)的各種寄生損耗：如金屬線圈的趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，襯底的容性寄生損耗和感性寄生損耗都增加了建模的難度。
　　本文針對(duì)片上變壓器的建模和參數(shù)提取方法進(jìn)行了相關(guān)研究。分別建立了平面螺旋變壓器的新型T型模型和堆疊型螺旋變壓器的2π模型，提取出了模型中的所有元件值。
　　首先介紹了電磁學(xué)的基礎(chǔ)理論以及片

3、上變壓器的電學(xué)特性，給出了這些參數(shù)的定義與計(jì)算公式。詳細(xì)分析了片上變壓器的損耗介質(zhì)的成因。其次總結(jié)了現(xiàn)在常用的四種建模方法，對(duì)每一種建模方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍進(jìn)行了分析。對(duì)參數(shù)提取方法中常用到的有理逼近方法進(jìn)行了詳細(xì)推導(dǎo)，給出了向量擬合算法求解極點(diǎn)、留數(shù)及線性參量的詳細(xì)步驟。
　　最后，在總結(jié)和分析了前人在建模和參數(shù)提取方面的成果后，結(jié)合片上變壓器的T型模型和2π模型分別對(duì)平面螺旋變壓器和堆疊型螺旋變壓器提出了新的等效電路模型，模

4、型包含了所有的金屬線圈損耗和襯底的寄生損耗。其中平面螺旋變壓器的新型T-型等效電路模型的襯底寄生損耗用一個(gè)整體的電路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬。趨膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)以及襯底的感性寄生效應(yīng)采用了并聯(lián)的L-R和L-R-C網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬。堆疊型螺旋變壓器的2π模型則采用兩個(gè)耦合的單π模型組成，每個(gè)單π模型分別等效為初次級(jí)線圈。兩個(gè)模型的元件值都通過二端口網(wǎng)絡(luò)分析以及向量擬合算法得出。兩個(gè)模型都在L50G0.5μm CMOS工藝的變壓器的測試數(shù)據(jù)中得到了驗(yàn)證，得