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、高集成度的標準發(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)等電路中以實現(xiàn)阻抗匹配、差分與單端信號轉(zhuǎn)換、交流耦合和增加帶寬等功能，還可以實現(xiàn)數(shù)字信號和功率的隔離傳輸，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。同時片上變壓器復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、高頻時的各種寄生損耗：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。
　　本文針對片上變壓器的建模和參數(shù)提取方法進行了相關(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。
　　首先介紹了電磁學的基礎(chǔ)理論以及片

3、上變壓器的電學特性，給出了這些參數(shù)的定義與計算公式。詳細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，對每一種建模方法的優(yōu)缺點和適用范圍進行了分析。對參數(shù)提取方法中常用到的有理逼近方法進行了詳細推導(dǎo)，給出了向量擬合算法求解極點、留數(shù)及線性參量的詳細步驟。
　　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整體的電路網(wǎng)絡(luò)進行模擬。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)進行模擬。堆疊型螺旋變壓器的2π模型則采用兩個耦合的單π模型組成，每個單π模型分別等效為初次級線圈。兩個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)中得到了驗證，得