集成平面螺旋电感的设计及其应用

论文题目: 集成平面螺旋电感的设计及其应用

论文类型: 硕士论文

论文专业: 微电子学与固体电子学

作者: 曾山

导师: 吴建辉

关键词: 平面螺旋电感,双模型,等效电路模型,射频集成电路

文献来源: 东南大学

发表年度: 2005

论文摘要: 随着集成电路工艺的发展,CMOS工艺以其低成本、易集成、低功耗等特点,已成为数字/模拟集成电路的主流工艺。在CMOS工艺特征尺寸减小的同时,MOS器件的截止频率达到数十GHz,从而越来越多的射频集成电路芯片采用CMOS工艺实现。随着集成电路与通信技术的发展,射频收发机系统的CMOS全集成已经成为发展趋势。电感作为一种重要的无源元件,广泛应用于射频电路中实现调谐、匹配、滤波等功能。如何实现高性能CMOS工艺集成平面螺旋电感是目前射频集成电路研究的热点和难点。本论文首先介绍了平面螺旋电感发展的状况,以及平面螺旋电感设计的重要性。为了完成平面螺旋电感的建模,分析了平面螺旋电感的多种损耗机制。然后,比较了平面螺旋电感的不同几何结构及其不同应用的优缺点,同时研究了提高电感Q值的主要途径。在这些分析的基础上,从平面螺旋电感的物理效应角度出发,提出了一种简化的片上螺旋电感双Π等效电路模型。该模型可有效解释螺旋电感中趋肤效应、邻近效应、衬底耦合、馈通电容、导体间电容等分布效应的影响。由该模型估算得出的元件参数,可作为实际数据拟合的参考依据,从而提高了拟合的效率与精确性。仿真结果表明,拟合后的等效电路模型,在0.1GHz～10GHz范围内,与电磁场仿真软件(ADS momentum)仿真结果有很好的一致性。最后,针对数字电视接收机中的具体应用,基于Chartered 0.25um RFCMOS工艺,自主设计了一系列集成电感,并从中选取合适的电感,完成了一个低相位噪声VCO的电路设计和版图设计。Cadence SpectreRF仿真结果表明:该VCO核心电路后仿真相位噪声达到-89.4dBc/Hz@10KHz。与直接采用Chartered工艺厂家提供的电感相比,相位噪声提高了6dB,完全满足数字电视接收机的要求(-85dBc/Hz@10KHz)。

论文目录:

摘要

ABSTRACT

第1章 引言

1.1 电感的应用与发展

1.1.1 集成螺旋电感的需求

1.2 论题的提出

1.3 论文的结构

第2章 平面螺旋电感的指标与结构

2.1 平面螺旋电感的性能指标

2.1.1 电感量

2.1.2 自谐振频率

2.1.3 品质因数（Q 值）

2.2 平面螺旋电感的损耗机制

2.2.1 趋肤效应

2.2.2 邻近效应

2.2.3 衬底损耗

2.3 平面螺旋电感的结构

2.3.1 平面对称的结构

2.3.2 多层的结构

2.3.3 递减螺旋结构

2.3.4 模式化接地保护结构（PGS）

2.4 Q 值的提高

第3章 平面螺旋电感模型的研究

3.1 经典单Π模型

3.1.1 螺旋线的电感

3.1.2 串联电阻

3.1.3 绕线间寄生电容

3.1.4 衬底寄生

3.1.5 简单分析

3.2 双Π模型的提出与推导

3.2.1 衬底网络

3.2.2 阶梯网络元件值的确定

3.2.3 模型中的其它电容

第4章 平面螺旋电感的仿真与模型验证

4.1 工艺制成与测试方法

4.2 仿真结果与分析

4.2.1 金属层与引出层不同的电感

4.2.2 圈数不同的电感

4.2.3 外径相同、内径不同的电感

4.2.4 外内径相同、线宽与线距不同的电感

4.3 模型验证

第5 章 平面螺旋电感在 VCO 中的应用

5.1 VCO 应用要求

5.2 VCO 的电路设计

5.2.1 VCO 拓扑结构的选取

5.2.2 相位噪声的分析

5.2.3 电感的选取

5.2.4 变容管、开关电容的设计

5.2.5 有源器件的设计

5.2.6 相位噪声的计算

5.3 VCO 的仿真结果及版图

第6 章 结束和展望

致谢

参考文献

附录 A

附录 B

就读研究生期间发表的论文

发布时间: 2007-06-11

参考文献

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• [2].CMOS平面螺旋电感的设计及其应用[D]. 菅端端.天津大学2007
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