RF CMOS片上變壓器及模型研究.pdf

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(shí)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(jì)和優(yōu)化成為射頻集成電路成功設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。尤其當(dāng)工作頻率高達(dá)上百甚至幾百GHz時(shí)，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(jì)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(jì)。

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(diǎn)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(gè)新的物理基的2-π模型，模型采用一

4、個(gè)由三個(gè)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(shí)，本文也提出了層疊螺旋變壓器一個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)模型均采用SMIC0.18μm RF CMOS工藝的變壓器進(jìn)行驗(yàn)證。從模型仿

5、真結(jié)果和測試結(jié)果可以看出，兩個(gè)模型的曲線擬合精度都較高，滿足RFIC的設(shè)計(jì)應(yīng)用要求。
　　根據(jù)垂直螺管變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文提出了一個(gè)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(shí)初次級線圈間的弱耦合，初次級線圈分別被當(dāng)作單個(gè)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(shí)，根據(jù)層疊變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文也提出了的一個(gè)新的2-π模型，采用同樣的

6、參數(shù)提取方法。兩個(gè)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(yàn)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(yàn)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