射频片上螺旋电感的结构优化设计与实现

摘要

近年来，随着硅基射频集成电路工作频率的提高，低成本、易集成的射频片上螺旋电感得到了广泛的应用。电感是各类电路，如低噪声放大器、匹配网络、滤波器、压控振荡器等的重要组成部分，而且电感的性能也是整个电路性能优劣的决定因素。因此，如何获得高性能的电感成为研究的热点，本文则重点研究了通过优化版图参数来提高电感品质因子Q值的方法。 大量的数值分析结果表明，优化电感的金属线宽与间距之比(Rws)，即优化金属线宽以及间距的值，能明显改善电感性能，在版图尺寸不变的前提下有效提高电感Q值。在此基础上，本文分析了电感的电磁场分布情况，发现磁场强度从外圈到内圈逐渐变大。当磁场强度一定时，磁场损耗与穿过金属线的磁通量成正比，即与金属线宽成正比，在磁场强度很大的内圈，较小的金属线宽可以降低磁场损耗；而欧姆损耗与金属电阻成正比，即与金属线宽成反比，因此，在欧姆损耗起主导作用的外圈，较大的金属线宽可以降低欧姆损耗。金属线宽从外圈到内圈逐渐变小的电感兼顾了欧姆损耗和磁场损耗，因而具有更高的Q值。 在以上分析的基础上，本文自主提出了一种金属线宽与间距之和不变，而金属线宽与间距之比从外圈到内圈依次变小的新型渐变结构电感，并通过大量数值分析，得到了一些有价值的经验性优化设计规则。当渐变结构电感其渐变方式选择恰当时，电感Q值会明显提高，不仪高于固定金属线宽及间距的传统固定结构电感，而且高于间距固定而金属线宽从外圈到内圈逐渐变小的单一渐变结构电感。 本课题在以上理论分析的基础上，采用获得的优化设计规则，在高阻硅衬底上制备了一系列单电感，多组样品的测试结果均与数值分析结果相吻合，证实了渐变结构的正确性。以其中一组7nH电感为例，渐变结构电感Q8-3的线宽与间距之比(Rwst)从外圈到内圈由4逐渐减小至1，符合优化设计规则，在2.1GHz频率处品质凶子Q值高达10，比相同版图尺寸的传统固定结构电感高23.5％，比单一渐变结构电感高13.6％，其余各组电感也得到了不同程度的优化。这种基于电感版图结构的Q值优化法相对于其它Q值优化法更易实现，不增加任何工艺成本，与现有射频集成电路制造工艺完全兼容，对片上螺旋电感的设计起到了一定的理论指导作用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2研究现状及研究方向

1.3本文的立题意义及创新之处

1.4研究内容

第二章电感的基本结构参数及理论基础

2.1电感的定义及分类

2.2普通片上螺旋电感的版图参数

2.3电感分析的理论基础

2.4电感的主要指标计算

2.5电感的损耗机制

2.6电感的各类效应

第三章版图参数对电感性能的影响研究

3.1版图参数对品质因子Q值的影响

3.2金属线宽与间距之比对电感性能的影响

3_3本章小结

第四章新型渐变结构的设计优化规则

4.1不同渐变结构电感的研究现状

4.2新型渐变结构电感

4.3不同渐变幅度的渐变结构电感

4.4渐变结构电感的优化设计规则

4.5渐变结构对电感性能的改进

4.6本章小结

第五章电感的工艺制备及测试数据分析

5.1射频片上螺旋电感的制备

5.2射频片上螺旋电感的在片测试

5.3测试结果分析

5.4测试结果与仿真结果差异分析

5.5本章小结

第六章结论及展望

6.1本文结论

6.2展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文目录