射頻與高速芯片無源元件研究及其應用.pdf

1、隨著現(xiàn)代通信系統(tǒng)的發(fā)展，后端的數(shù)字信號和前端的模擬信號的頻率越來越高使得設計新的多功能集成電路越來越富有挑戰(zhàn)性。另一方面，集成電路制造工藝和材料學的不斷進步使得新型的有源器件能工作在更高的頻率，更低的電壓，更大的功率。 處在市場需求和芯片制造之間的集成電路設計業(yè)的發(fā)展往往落后于前兩者，阻礙了高性能的器件用于最先進的通信應用中。獲得這些新器件的模型是進行電路和系統(tǒng)設計的基礎。芯片內除了有源器件還大量存在無源器件，包括傳輸線，電容，

2、電感，變壓器等等。它們的性能隨著工作頻率的提高越來越復雜，而且它們通常占用較大的面積;擁有較大的尺寸和復雜的連接結構。先進的芯片制造工藝提供多層結構，這一方面對于射頻和微波集成電路提供了更廣闊的設計空間，各種三維立體結構紛紛應用在這些高性能電路中。另一方面使得難以用簡單的電路形式作為電路模型。因此無源元件的準確建模和優(yōu)化設計已經成為射頻微波電路和高速數(shù)字電路的關鍵之一，也是各大芯片制造商和電子設計自動化軟件公司努力的方向之一。本文針對傳

3、輸線和芯片電感這兩個典型的使用最廣泛的無源元件進行研究，一方面對它們建立適合電路設計的準確又高效率的模型，另一方面對芯片差分電感進行了優(yōu)化設計。 將平行多導體傳輸線視為無限長的二維問題，應用導體截面矩量法求取這種結構的分布參數(shù)?？紤]到參數(shù)隨頻率變化，導體截面被劃分成小塊以反映導體中非均勻的電流密度。在電流密度變化劇烈處加密劃分而在變化緩慢處稀疏劃分可以在保持精確度的情況下大幅度減少計算時間。文中的優(yōu)化劃分方法將原本需要三十分鐘的

4、計算時間縮短到一分鐘以內，并保持并比較了它的精度。考慮到半導體襯底也將承擔一部分回流電流，因此將它視為額外的一個導電率不同的接地導體一并放入多導體傳輸線結構，使得算法的通用性增強。 矩形螺旋電感被劃分成兩組相互垂直的多導體傳輸線組，其轉角部分的影響被內外導體的平均長度所替代。文中分析了平均長度對電感量和電阻的誤差。應用二維傳輸線分布參數(shù)提取數(shù)值算法得到多導體傳輸線組的分布參數(shù)，結合傳輸線組的長度，通過模式分解技術得到傳輸線組的網

5、絡參數(shù)。根據具體的連接順序可以求出矩形螺旋電感的兩端口網絡參數(shù)。實驗和仿真證明這樣的簡化近似并不降低模型的精確度而在計算量上大大降低。簡化的耦合線電感模型可用于快速估計電感性能。 差分螺旋電感隨著差分電路的普遍應用而顯得格外重要。傳統(tǒng)結構的差分電感不論平面還是垂直多層都是按順序依次從外到內或者從上到下繞制。這樣的繞制使得高低電壓的導線相互耦合產生巨大的寄生電容，極大的限制了差分電感的性能。文中對差分電感重新設計，采用新的繞制順序