硅基毫米波無源器件建模及鎖相環(huán)設(shè)計(jì).pdf

1、隨著無線通信的快速發(fā)展和智能化手持電子設(shè)備的普及，人們對(duì)能夠支持每秒千兆比特傳輸速率的技術(shù)需求越來越迫切。傳統(tǒng)的無線通信模式和設(shè)備已經(jīng)難以滿足未來超高速、大數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)囊?。相比于微波頻段，毫米波頻段不僅具有高速率，大容量等性能優(yōu)勢(shì)，還具有成本優(yōu)勢(shì)：在毫米波頻段中，60GHz頻譜資源可免費(fèi)使用，從而使該頻段上的無線通訊經(jīng)濟(jì)成本有效降低。伴隨硅基工藝的快速進(jìn)步，先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)下的晶體管特征頻率已超越毫米波頻段，從而硅基毫米波集成電路一方面

2、具備媲美傳統(tǒng)III-V族集成電路的性能，另一方面可以提供系統(tǒng)集成芯片（SoC）的解決方案，且成本低廉適合消費(fèi)類電子產(chǎn)品的大規(guī)模量產(chǎn)。因此，掌握硅基毫米波芯片設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展和健康持續(xù)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有十分重要的意義。目前，工藝廠商僅提供30GHz以下頻段電感等效模型，不提供變壓器、巴倫等效模型。而無源器件作為硅基毫米波頻段集成電路的重要組成部分，是影響集成電路性能的關(guān)鍵器件，因此對(duì)無源器件進(jìn)行準(zhǔn)確的器件建模是設(shè)計(jì)毫米波集成電路

3、的重要基礎(chǔ)。鎖相環(huán)電路可為片上收發(fā)系統(tǒng)提供頻率信號(hào)，為無線通信收發(fā)機(jī)中的關(guān)鍵模塊。鎖相環(huán)性能會(huì)嚴(yán)重影響無線收發(fā)系統(tǒng)的質(zhì)量，因此，掌握鎖相環(huán)集成電路的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。
　　本文以硅基工藝下電感、變壓器的物理模型為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合硅基襯底的損耗特性和毫米波頻段下無源器件的耦合特性，采用場(chǎng)路結(jié)合的分析方法，系統(tǒng)的研究了硅基毫米波頻段片上多個(gè)電感和六端口M:N變壓器的耦合效應(yīng)及損耗特性，并提出了片上多個(gè)耦合電感和六端口M:N變壓器的等效集總參數(shù)

4、模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)提取方法，并通過基于180nm和90nm CMOS工藝的流片測(cè)試驗(yàn)證。最后，基于180nm和65nm CMOS工藝，分別設(shè)計(jì)了2.8GHz至5.2GHz鎖相環(huán)集成電路和56GHz至64GHz壓控振蕩器集成電路。主要研究工作如下：
　　（1）硅基毫米波頻段片上多電感耦合模型研究：片上多個(gè)相鄰電感之間存在耦合效應(yīng)，而傳統(tǒng)的片上單電感物理模型結(jié)構(gòu)無法表征片上多個(gè)相鄰電感的寄生效應(yīng)和耦合特性。本文通過研究分析片上多個(gè)鄰近電感

5、的電耦合和磁耦合現(xiàn)象，提出用等效電容和等效互感的結(jié)合來表示相鄰電感間的電磁耦合現(xiàn)象，并以傳統(tǒng)單電感模型為基礎(chǔ)，發(fā)展并提出了新型片上多個(gè)含有耦合效應(yīng)的電感等效集總電路模型。建立片上多個(gè)鄰近電感的電磁仿真結(jié)構(gòu)和測(cè)試結(jié)構(gòu)，通過電磁仿真和測(cè)試獲取片上多個(gè)相鄰電感的散射參數(shù)矩陣。通過對(duì)該散射參數(shù)矩陣的分析和處理，提出多電感等效集總電路模型的參數(shù)提取方法。所提出的等效模型和參數(shù)提取方法從低頻至120GHz范圍內(nèi)與實(shí)際測(cè)試和電磁仿真數(shù)據(jù)相吻合。

6、>　?。?）硅基毫米波頻段六端口M:N變壓器模型研究：在硅基電路中，片上變壓器中心抽頭可作為電源通路而發(fā)揮作用，而傳統(tǒng)變壓器等效模型為四端口模型，沒有考慮變壓器中心抽頭的影響。同時(shí)，傳統(tǒng)變壓器模型不能直接作為巴倫模型來使用。本文通過對(duì)六端口M:N變壓器結(jié)構(gòu)電磁耦合特性和損耗特性的研究分析，實(shí)現(xiàn)了硅基六端口M:N變壓器在毫米波頻段準(zhǔn)確的等效集總電路模型和參數(shù)提取方法。變壓器初級(jí)和次級(jí)線圈的阻抗特性分別用兩節(jié)串聯(lián)支路模擬，用四組并聯(lián)支路模擬

7、變壓器的襯底損耗特性。變壓器初級(jí)和次級(jí)線圈的電耦合和磁耦合分別用等效電容和等效電感表示。該模型所有參數(shù)從六端口M:N變壓器電磁仿真散射矩陣中直接提取。通過與測(cè)試和電磁仿真數(shù)據(jù)對(duì)比，所提出的等效模型從低頻至100GHz能準(zhǔn)確的描述硅基片上六端口M:N變壓器性能。
　　（3）硅基鎖相環(huán)電路設(shè)計(jì)：鎖相環(huán)作為收發(fā)電路系統(tǒng)的重要組成部分，無論在有線通信還是無線通信中都起著非常重要的作用。本文在鎖相環(huán)電路的基本組成和基本電路原理上，基于CMO