射频微波集成电路中感性器件的建模和设计

论文摘要

随着通信技术的发展,人们对无线通信产品在尺寸、速度、功耗和价格上提出了越来越高的要求。而半导体工艺的进步,使得在射频集成电路领域,CMOS工艺逐渐能够取代传统的GaAs工艺,从而大大降低了射频集成电路的造价,加速了其市场推广和应用。近年来,硅基射频集成电路已成为国内外研究的热点。而感性器件作为电路中的重要模块,在滤波,阻抗变换,阻抗匹配等方面发挥着重要的作用。因而新型的感性器件,包括电感和变压器的设计和建模在射频设计中起着极为关键的作用。然而,伴随系统工作频率的进一步提高,传输线效应日益显著的同时,硅基电路的衬底损耗也降低了电路的性能。为此,人们做了大量的研究,提出了高阻硅做衬底,垂直悬空结构,以及栅格屏蔽等多种方法来解决这一问题。除了损耗,面积也是芯片设计者极其关注的一个问题。虽然随着工艺的进步,我们可以在多层布线以最大限度的减少面积。但是无源感性器件,往往仍旧是射频系统里最消耗面积的部分。所以人们进一步展开研究,提出了有源电感和变压器的思想。由于全由晶体管搭建而成,有源的感性器件几乎不消耗芯片面积,而且同时还具有品质因数高和电感值可调谐等优点。因而近年来有源感性器件的优化和设计得到极大的关注。由于无源的电感和变压器本质上是由传输线构成的,为了更好的研究无源感性器件的建模,本论文首先研究了传输线的建模,特别是在电感设计中常用到的栅格屏蔽的传输线的建模。而后,对电感和变压器的建模展开研究,并使用部分有限元等效电路(PEEC)的方法完成对串行频变参数的提取。并将该方法应用于MEMS巴伦的建模,最后实测的结果表明该方法具有很高的精度。而后,本文对有源电感和变压器的设计展开研究。介绍了有源电感和变压器的设计思路,并通过设计实例说明了有源变压器的相关性能和优势。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的背景及意义
• 1.1.1 射频集成电路的发展
• 1.1.2 当前研究现状
• 1.2 文章主要内容
• 第二章 传输线的建模与分析
• 2.1 引言
• 2.2 传输线的建模
• 2.2.1 传输线理论分析
• 2.2.2 集肤和邻近效应
• 2.2.3 栅格屏蔽传输线
• 2.2.4 栅格屏蔽传输线的半经验公式
• 2.2.5 PEEC 参数提取方法
• 2.2.6 栅格屏蔽共面波导传输线参数提取实例
• 第三章 片上无源电感与变压器的建模与分析
• 3.1 电感与变压器基础
• 3.2 片上无源电感和变压器的主要实现形式
• 3.3 片上电感的模型
• 3.4 片上变压器的模型
• 3.5 片上电感和变压器的频变特性分析
• 3.5.1 频变电阻和频变电感的分析
• 3.5.2 任意六面体间的互感
• 3.5.3 PEEC 方法在MEMS 巴伦建模中运用的实例
• 第四章 有源变压器的分析与设计
• 4.1 简介
• 4.2 有源电感
• 4.2.1 理想旋相器及其理想跨导网络实现的有源电感
• 4.2.2 有源变压器的复杂跨导网络模型
• 4.2.3 各种简单有源变压器的拓扑
• 4.2.4 共源共栅有源变压器
• 4.2.5 有源电感的调谐
• 4.3 有源变压器
• 4.3.1 有源变压器的理想跨导模型
• 4.3.2 有源变压器的非理想模型
• 4.3.3 多绕组的有源变压器
• 4.3.4 有源变压器的设计实例
• 第五章 总结与展望
• 5.1 研究总结
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文