高性能硅基RFICs中片上螺旋电感的设计、建模及参数提取分析

摘要

伴随着射频通信技术的快速发展和CMOS工艺设计水平的提高，射频集成电路在通信领域有着愈发广泛的市场需求，RFICs的关键子单元电路中都要用到电感这类无源元件，而整个RFICs的性能也会受到电感性能的直接影响。随着工作频率的不断上升，只适用于特定功能电路、结构参数固定且占用电路面积较大的传统电感线圈已经难以适应RFICs宽带化、微型化的发展目标，与此同时各种寄生效应也会对电感造成严重的性能损耗，因此，提高3D电感模型的精确度就变得极为迫切，而这也导致了片上螺旋电感在3D建模中愈发的复杂化，进而给元件参数的提取和优化等流程增加了较大难度；此外，由于目前大多数工艺库中并不能提供连续可调的参数化电感模型，因而导致片上螺旋电感在结构设计与模型优化过程中花费了大量的时间和精力同时并没有达到所期望的精度要求，给不同功能电路中电感的灵活运用造成了很大不便，也极大地限制了芯片级电感的规模化应用。
　　本文提出了一种改进型单π模型。从结构上讲，就是在传统单π模型等效电路的顶部串联了一个Rsl-Lsl并联支路用于模拟趋肤和邻近效应，从衬底耦合效应给电感性能造成的影响角度进行考虑，衬底支路又引入了电容Csub对其进行表征。提出的改进型单π模型采用二端口网络分析法、拟线性函数法并辅以线性拟合来实现模型电路元件参数的提取，然后对电感在HFSS中的电磁仿真数据、传统单?模型以及改进型单π模型多个性能参数的仿真数据（品质因数Q、等效串联电感Lef和电阻Reff、耦合系数k、S参数及其误差率）进行了比较，仿真结果证明与传统单π模型相比，改进型单?模型的精确度有所提升，但同时改进型单?模型也存在着自谐振频率resf较低、模型等效性与拟合度差等缺点，还不能达到电感实际化应用的要求。基于上述不足，我们对模型结构进行了优化设计，进而提出了增强型单π模型，该模型中用于表示趋肤和邻近效应的电路结构不变，而采用了R2-C2并联支路表征衬底耦合效应并利用上面提到的方法对模型进行了参数表达式的推导、提取与拟合等流程。最后，通过对电感在HFSS下的电磁仿真数据、传统型、改进型以及增强型单π模型四者多个性能参数的仿真结果对比，充分证明相较于传统型和改进型单π模型，结构优化后的增强型单π模型在给定频率范围内具有更高的精确度、拟合度与等效性，也更加符合与接近实际运用中电感的工作状态。

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第1章 引言

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状分析

1.3 论文的主要内容安排

第2章 RF CMOS片上螺旋电感

2.1 电感在电路中的应用

2.2 电感的基础知识

2.3 片上螺旋电感

2.4 片上螺旋电感的损耗机制

2.5 本章小结

第3章 片上螺旋电感的性能仿真分析与设计方法

3.1 仿真及绘图软件简介

3.2 结构参数对3D电感性能影响的仿真分析

3.3 工艺设计参数对3D电感性能影响的仿真分析

3.4 片上螺旋电感的设计方法

3.5 本章小结

第4章 新型单Π模型的提出、参数提取及性能仿真验证

4.1 改进型电感单π模型

4.2 增强型电感单π模型

4.3 改进型、增强型单π模型的性能仿真对比

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

在校期间发表学术论文与研究成果