文档介绍：东南大学
博士学位论文
硅基射频集成电路片上无源元件的设计与建模
姓名:夏峻
申请学位级别:博士
专业:电路与系统
指导教师:王志功
20090501
硅基射频集成电路片上无源元件的设计与建模摘要随着无线通信、卫星导航、射频识别、移动电视等射频微波应用系统的迅猛发展,小型化、高性能、低成本和低功耗消费类应用电子设备的市场需求激发了人们对于单芯片系统:的极大兴趣。硅基工艺因具有低成本、低功耗及高集成度等特点成为实现氖选。然而,高品质无源元件的缺乏成为实现钠烤敝弧片上无源元件,尤其是片上集成变压器及巴伦等,作为改善电路性能的重要元件在射频集成电路设计中应用广泛。其中,变压器在现代低压射频集成电路中具有特殊重要性,而巴伦在需要实现单端差分转换的电路中更是不可或缺。但由于硅基工艺衬底的高损耗特性以及元件自身结构的复杂性,基于工艺实现高品质片上集成变压器和巴伦等无源元件是射频单芯片系统研究领域中极具挑战性的课题。本论文基于工艺,对片上集成变压器、巴伦等无源元件的设计优化与建模进行了深入研究。本文首先从电磁场和电路基本理论入手,分析了无源元件的基本特性以及设计优化的标准,讨论并定义了片上集成无源元件设计的优值;在对金属导体中的趋肤效应和邻近效应以及电磁波在有耗硅基衬底中传播模式分析的基础上,以基于矢量势和标量势的理论公式分别揭示了片上无源元件在金属导体和半导体衬底中的各种损耗机制;比较了常用电磁场数值分析方法的优缺点,讨论了集成芯片环境下提高片上无源元件电磁场数值分析效率及精度的方法。通过与实际测试结果相比较验证了电磁场数值分析结果的可靠性。首先比较了多种变压器版图结构的性能,随后通过大量仿真和分析比较确定了片上集成变压器各设计参数与耦合系数、优值及频率相关带宽等性能参数之间的关系,提出了根据耦合系数、优值曲线以及频率相关砬呦嘟岷隙云霞杀溲蛊鹘杏呕杓频姆椒ā接下来,在全面总结了片上无源元件各种模型分类及特点之后,结合片上集成电感的等效电路模型,对片上集成电感类无源元件的各种高频效应及其建模方法进行了详尽讨论。在此基础上分别建立了共面交叉互绕和叠层两种结构片上集成变压器的频率无关等效电路模型,提取了模型参数,并分别通过电磁场仿真与流片测试验证了模型的精度。最后,分别基于集总元件、传输线以及变压器等三种结构系统全面的讨论了在半导体硅基衬底上设计集成无源巴伦的方法,并结合工艺比较了上述三种结构片上集成巴伦的性能。并对片上集成变压器巴伦的建模进行了研究,提出了一种可适用至毫米波频段的简化单Ⅱ等效电路模型,通过与实际测试结果比较验证了模型的精度。关键词:射频集成电路、硅基工艺、工艺、片上无源元件、变压器、巴伦、交叉互绕结然后,基于和工艺,讨论了片上集成变压器的优化设计方法。和构、叠层结构、频率无关、等效电路模型
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