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文檔簡介
1、隨著無線通信技術(shù)和硅基CMOS工藝的迅速發(fā)展,促使單片射頻集成電路(RFICs)不斷的向著低成本、低功耗、高集成度方向發(fā)展。片上變壓器作為射頻集成電路中一種重要的無源器件,被廣泛的應(yīng)用于功率放大器(PA)、低噪聲放大器(LNA)、混頻器(Mixer)和壓控振蕩器(VCO)等單元模塊電路中,實現(xiàn)阻抗匹配、功率合成、單端信號與差分信號的相互轉(zhuǎn)換、諧振負(fù)載、低噪反饋、交流耦合、DC隔離及帶寬擴(kuò)展等功能。隨著晶體管特征尺寸的不斷縮小和工作頻率的
2、不斷上升,具有低壓工作特性的變壓器,其性能的好壞直接影響電路的整體性能,因此,片上變壓器的設(shè)計和優(yōu)化成為射頻集成電路成功設(shè)計的難點之一。尤其當(dāng)工作頻率高達(dá)上百甚至幾百GHz時,硅基片上變壓器的各種寄生效應(yīng),如金屬線的趨膚和鄰近效應(yīng)及襯底耦合寄生損耗等,將會變得十分嚴(yán)重,使品質(zhì)因子大大降低,并增加了其準(zhǔn)確建模和優(yōu)化設(shè)計的難度。因此,基于上述問題本文準(zhǔn)確分析了片上變壓器的工作原理,建立了其等效電路模型,并進(jìn)行了片上變壓器的優(yōu)化設(shè)計。
3、 本文首先介紹了片上集成變壓器的種類、結(jié)構(gòu)及劃分方法,分析了變壓器的電學(xué)特性并給出性能參數(shù),總結(jié)了變壓器的損耗機(jī)制及建模方法等基礎(chǔ)知識。變壓器種類主要介紹了有源變壓器、鍵合線變壓器和金屬互連線變壓器。損耗機(jī)制主要分析了金屬導(dǎo)體損耗與半導(dǎo)體襯底損耗。建模方法著重討論了電磁場仿真、行為模型及等效電路模型,總結(jié)了各自的優(yōu)缺點及其適用范圍。
在分析和總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上,本文提出了平面螺旋變壓器一個新的物理基的2-π模型,模型采用一
4、個由三個R-L串聯(lián)支路構(gòu)成的階梯網(wǎng)絡(luò)來描述趨膚效應(yīng),用支路電感之間的互感來表示鄰近效應(yīng)。同時,本文也提出了層疊螺旋變壓器一個新的物理基的1-π模型,除了采用同樣的階梯網(wǎng)絡(luò)表征趨膚和鄰近效應(yīng)外,還采用一個R-L串聯(lián)支路表征渦流效應(yīng)引起的磁性硅襯底損耗。兩個模型中的所有元件值均采用與版圖尺寸和工藝參數(shù)有關(guān)的物理公式表示,然后再通過添加一些優(yōu)化系數(shù)來提高擬合精度。兩個模型均采用SMIC0.18μm RF CMOS工藝的變壓器進(jìn)行驗證。從模型仿
5、真結(jié)果和測試結(jié)果可以看出,兩個模型的曲線擬合精度都較高,滿足RFIC的設(shè)計應(yīng)用要求。
根據(jù)垂直螺管變壓器的結(jié)構(gòu)特點,本文提出了一個新的2-π模型,并給出模型中各參數(shù)值的提取方法。主要方法是忽略掉低頻時初次級線圈間的弱耦合,初次級線圈分別被當(dāng)作單個電感進(jìn)行參數(shù)提取,隨后將表征線圈間耦合效應(yīng)的耦合系數(shù)和提取的參數(shù)值代入模型進(jìn)行仿真,然后再進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。同時,根據(jù)層疊變壓器的結(jié)構(gòu)特點,本文也提出了的一個新的2-π模型,采用同樣的
6、參數(shù)提取方法。兩個模型分別采用IBM90nm RF CMOS工藝和SMIC0.18μm RF CMOS工藝的變壓器進(jìn)行驗證。從模型仿真結(jié)果和測試結(jié)果可以看出,模型具有較高的精度。而且模型各參數(shù)的優(yōu)化值和提取值的誤差很小,這說明提出的參數(shù)提取方法能夠有效地應(yīng)用于提出的模型,并驗證了模型的準(zhǔn)確性。
最后,為了提高片上變壓器品質(zhì)因子(Q)和減少片上變壓器所占芯片面積,本文提出了一種新型的分形圖案接地屏蔽(PGS)結(jié)構(gòu),包括十字和H兩
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