射頻與高速芯片無源元件研究及其應(yīng)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(hào)和前端的模擬信號(hào)的頻率越來越高使得設(shè)計(jì)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(xué)的不斷進(jìn)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(shè)計(jì)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(jìn)的通信應(yīng)用中。獲得這些新器件的模型是進(jìn)行電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。芯片內(nèi)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(fù)雜，而且它們通常占用較大的面積;擁有較大的尺寸和復(fù)雜的連接結(jié)構(gòu)。先進(jìn)的芯片制造工藝提供多層結(jié)構(gòu)，這一方面對(duì)于射頻和微波集成電路提供了更廣闊的設(shè)計(jì)空間，各種三維立體結(jié)構(gòu)紛紛應(yīng)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(zhǔn)確建模和優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為射頻微波電路和高速數(shù)字電路的關(guān)鍵之一，也是各大芯片制造商和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件公司努力的方向之一。本文針對(duì)傳

3、輸線和芯片電感這兩個(gè)典型的使用最廣泛的無源元件進(jìn)行研究，一方面對(duì)它們建立適合電路設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確又高效率的模型，另一方面對(duì)芯片差分電感進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。 將平行多導(dǎo)體傳輸線視為無限長的二維問題，應(yīng)用導(dǎo)體截面矩量法求取這種結(jié)構(gòu)的分布參數(shù)?？紤]到參數(shù)隨頻率變化，導(dǎo)體截面被劃分成小塊以反映導(dǎo)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(jì)算時(shí)間。文中的優(yōu)化劃分方法將原本需要三十分鐘的

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

5、絡(luò)參數(shù)。根據(jù)具體的連接順序可以求出矩形螺旋電感的兩端口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)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(jì)算量上大大降低。簡化的耦合線電感模型可用于快速估計(jì)電感性能。 差分螺旋電感隨著差分電路的普遍應(yīng)用而顯得格外重要。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(nèi)或者從上到下繞制。這樣的繞制使得高低電壓的導(dǎo)線相互耦合產(chǎn)生巨大的寄生電容，極大的限制了差分電感的性能。文中對(duì)差分電感重新設(shè)計(jì)，采用新的繞制順序