射频片上螺旋电感建模、优化设计及其应用

摘要

为了适应快速增长的无线通信市场的巨大需求,往往需要研究能够在射频频段工作的高性能单元电路和高品质因子的无源器件,而螺旋电感由于它的低成本和易集成等优点成为了射频片上系统发展的瓶颈。本文据此主要对射频片上螺旋电感进行了三个方向的研究:建立精确RLC电感模型的研究、片上电感优化设计的研究以及提高电感品质因子(quality factor,Q)的研究。
　　 首先,基于部分元件等效电路(partial element equivalent circuit,PEEC)方法,采用C++软件进行编程计算,研究出一种新的螺旋电感等效电路模型。该等效电路模型中的每个元件都代表明确的物理意义,可有效的反映螺旋电感中的趋肤效应、邻近效应等分布效应的影响。通过与全波分析方法相比,证明此模型在相当宽的频率范围内是有效和可行的,可广泛应用于多层内埋置射频无源电路的优化设计和仿真。
　　 其次,针对螺旋电感的物理模型,运用粒子群优化算法对螺旋电感设计参数进行优化。在工艺参数和工作频率确定的条件下,快速找出满足电感值和其他约束条件的所有版图参数,从而得到最高的品质因子。我们的优化计算结果与等Q值线图、三维电磁场仿真软件的仿真结果相比较,最大只有约2.80％的计算误差,表明该优化设计方法能够提供足够的精度和快速的优化计算速度。
　　 最后,我们采取粒子群算法优化螺旋电感的方法,设计了截止频率为2.4GHz的低通滤波器(Low Pass Filter,LPF),并利用ADS对LPF的主要性能指标进行了模拟仿真。通过对比优化前后的仿真结果,发现该方法确实可以提高LPF的性能,并且从侧面验证了粒子群算法优化螺旋电感的正确性和实用性。

目录

文摘

英文文摘

图表清单

第一章 绪论

1.1 射频集成电路发展的背景

1.2 电感在射频集成电路中的应用

1.2.1 集成螺旋电感的需求

1.2.2 滤波网络中的应用

1.2.3 低噪声放大器中的应用

1.2.4 压控振荡器中的应用

1.3 国内外研究现状、研究进展及存在的问题

1.3.1 提高电感Q值的研究

1.3.2 电感值算法的研究

1.3.3 建立精确RLC电感模型的研究

1.3.4 片上电感优化设计的研究

1.3.5 电感结构的研究

1.4 本文的主要研究内容

第二章 电感的理论分析基础

2.1 电感的物理基础

2.1.1 法拉第电磁感应定律和楞次定律

2.1.2 电感类元件的一些基本定义

2.2 集成电路中电感类元件建模方法概述

2.2.1 用电磁场仿真工具进行建模和仿真

2.2.2 用分段等效电路模型进行建模和仿真

2.2.3 用集总模型进行建模和仿真

2.3 电感的主要性能指标

2.3.1 电感量(L)

2.3.2 品质因子(Q值)

2.3.3 自谐振频率( fSR)

2.4 片上电感的主要参数

2.4.1 片上螺旋电感的几何参数

2.4.2 片上螺旋电感的工艺参数

2.5 本章小结

第三章 基于PEEC法的片上螺旋电感建模及其参数提取方法

3.1 电感的传统RLC模型

3.1.1 表征电感特性的物理量

3.1.2 单π物理模型

3.1.3 双π物理模型

3.2 部分元件等效电路(PEEC)理论

3.2.1 引言

3.2.2 部分元件等效电路公式的推导

3.2.3 部分元件等效电路模型

3.3 螺旋电感建模及其参数提取方法

3.3.1 螺旋电感的建模

3.3.2 螺旋电感等效电路模型参数的提取

3.3.3 螺旋电感的仿真结果及分析

3.4 本章小结

第四章 基于粒子群算法的螺旋电感的优化设计方法

4.1 粒子群优化算法

4.1.1 标准粒子群算法

4.1.2 PSO算法的流程

4.2 螺旋电感设计及其优化过程

4.2.1 高性能螺旋电感的标准

4.2.2 螺旋电感模型参量计算

4.2.3 为什么采用粒子群算法

4.3 粒子群算法优化结果的分析

4.3.1 工艺制程与测试方法

4.3.2 粒子群优化与仿真结果分析

4.4 本章小结

第五章 片上螺旋电感在滤波器中的应用

5.1 滤波器简介

5.1.1 实际滤波器的特性

5.1.2 低通原型滤波器

5.2 理想低通滤波器的设计

5.2.1 巴特沃兹滤波器

5.2.2 低通滤波器的设计与仿真

5.3 经版图计算后低通滤波器的设计

5.3.1 片上螺旋电感的电感值算法研究

5.3.2 经版图计算后低通滤波器的设计与仿真

5.4 螺旋电感经优化设计后滤波器的设计与仿真

第六章 总结及展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文