深亚微米(纳米)硅基在片电感器件的模型研究及性能优化

摘要

无源器件尤其是电感是射频集成电路中至关重要的器件。先进的射频CMOS工艺已经能在片集成无源器件。在片无源器件能有效减小封装寄生参数，提高电路稳定性和性能，因此其应用已经成为一种趋势。但是在片无源器件仍然面临着严重的挑战，一方面射频电路对在片无源器件的性能要求越来越高（如高品质因子Q的电感），此外，如何实现高精度、宽带、并具有很好的可重复性从而尽量降低建模过程中对工程师的经验依靠的模型，也是射频电路设计的一个重大课题。
　　 目前无源器件建模方法主要包括电磁场仿真方法，等效电路物理模型方法，还有基于测量数据的等效电路参数提取方法（简称参数提取法）等。其中，基于参数提取方是集成电路工业界的首选，因为该方法精度高，而且其等效电路模型与SPICE类型的电路仿真器完全兼容，能进行时域，频域甚至噪声分析。
　　 传统上，参数提取主要采用迭代拟合优化的方法，比如遗传算法，指数下降算法，最小二乘算法等。这种方法的一个根本性缺陷是收敛性问题，如果初始值选取不当，将会产生多值解。此问题在多参数的复杂系统中变得更严重，并同时有优化时间长等缺点。
　　 在以上介绍的背景下，发展一种可以通过解析方法来提取电感模型参数将具有很大意义。本论文将总结在过去几年间所开展的电感模型领域的研究，并重点介绍一种具有物理意义的特征函数法提取电感元件模型参数的方法，本方法是我们在电感模型领域自主开发的具有原始创新性的参数提取途径，该方法使用解析式对电感的等效电路进行参数提取，速度快，精度高，物理性强，具有很好的可重复性，很好的缩放率，以及宽带性，而且避免了传统的迭代拟合优化中存在的收敛性问题。本文在对各种等效电路做相应的特征函数分析基础上，研究单π模型，非对称模型，以及目前国际上普遍采用的双π模型的参数提取方法。对各种不同结构的电感模型进行仿真的结果显示，本文能为射频集成电路工程师提供在片电感和变压器建模方面的研究参考价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文背景

1．2 片上无源器件的运用

1．3 螺旋电感的建模

1．4 论文的主要工作

1．5 论文结构

第2章 螺旋电感的测试方法

2．1 电感的S参数测试

2．2 剥离方法

2．3 开路剥离方法

2．4 开路短路剥离方法

2．5 剥离方法比较

2．6 本章小结

第3章 螺旋电感的电磁场仿真

3．1 TSMC射频GMOS工艺

3．2 HFSS仿真TSMC CMOS螺旋电感

3．2．1 HFSS仿真环境

3．2．2 CMOS螺旋电感的HFSS仿真

3．3 本章小结

第4章 电感的物理模型

4．1 电感的主要技术指标

4．2 单Π等效电路的物理模型

4．2．1 九单元模型的串联电感

4．2．2 九单元模型的串联电阻

4．2．3 九单元模型的串联电容

4．2．4 九单元模型的衬底寄生参数

4．2．5 九单元模型的性能分析

4．3 可缩放电容分布模型

4．3．1 相邻金属线耦合电容Cp的推导

4．3．2 氧化层电容的推导

4．3．3 可缩放电容分布模型的实验验证

4．4 双π等效电路的物理模型

4．5 N-π等效电路的物理模型

4．6 带中央抽头的对称电感电路模型

4．7 本章小结

第5章 电感等效电路的新型参数提取方法

5．1 迭代优化算法

5．1．1 基于ADS遗传算法的参数提取

5．1．2 ADS遗传算法的性能分析

5．2 新型的特征函数参数提取法

5．2．1 单π模型(9元件模型)的参数提取

5．2．2 RL阶梯单π模型的参数提取

5．2．3 考虑衬底耦合的RL阶梯单π模型的参数提取

5．2．4 考虑衬底寄生电感的硅基传输线和片上电感的参数提取

5．2．5 双Π等效电路模型的参数提取

5．3 带中央抽头的对称电感电路模型的参数提取

5．4 N-π等效电路模型的参数提取

5．5 本章小结

第6章 总结和讨论

6．1 论文回顾

6．2 工作展望

6．3 总结

致谢

参考文献

附件：作者发表论文索引