硅基集成螺旋电感和变压器及其在VCO中的应用研究

摘要

随着硅工艺技术的成熟，无线通信实现了革命性的突破，例如个人通信系统，无线局域网络，卫星通信以及全球定位系统方面。进一步导致射频集成电路（RFICs）制造技术和特性分析成为研究的热点。作为射频集成电路的核心部件，螺旋电感与螺旋变压器已被广泛应用到射频集成电路中。螺旋电感的性能可以影响到电路的整体性能。它被广泛应用到压控振荡器、低噪声放大器、功率放大器、混频器以及阻抗匹配电路中。而芯片上的单片变压器广泛地应用于射频集成电路中的阻抗变换、阻抗匹配、直流隔离、信号耦合中。 在过去的十几年里，对于如何设计高性能螺旋电感，人们做了大量的实验和理论研究工作，它们具有高品质因素、高谐振频率以及最小的芯片面积。为了有效地改进螺旋电感的品质因素，学者们提出很多工艺上的或者形状上的优化方案，例如悬空垂直结构，差分驱动模式，应用高阻硅作为衬底，插入格状接地屏蔽（PGS）等。进一步地，芯片占用的面积也是设计者们必须注意的问题，平面螺旋电感占据的芯片面积相对其它片上器件来说比较大。为了进一步缩小芯片面积，降低制造成本，人们提出了多层螺旋电感和变压器的结构。这种先进的芯片制造工艺，一方面对于射频和微波集成电路提供了更广阔的设计空间，以至多种三维立体结构纷纷应用在这些高性能电路中，但另一方面使得难以用简单的电路形式作为电路模型。因此无源元件的准确建模和优化设计已经成为射频微波电路和高速数字电路的关键之一。 第二章首先概要地阐述了前人们提出的经典电感结构、改进的电感模型以及模型参数的提取方法，然后重点介绍和分析研究的一种新型的多层螺旋差分电感，能够使寄生电容降到最低，从而获得较高的自谐振频率和较高的品质因素, 并且与传统的差分激励的多层螺旋电感具有近似相等的电感值并且占据同样大小的芯片尺寸。 第三章详细研究了一种改进的集总元件变压器模型并给出了详细的硅基片上CMOS变压器的特性描述，并以0.18 CMOS标准工艺实现了圆形变压器的流片。应用去嵌入测量方法，得到的2端口S-参数和应用改进模型得到的仿真S-参数，确定了一些关于变压器性能的关键参数的数值，并给出了针对不同情形下的比较，例如，品质因素(Q), 最大可获得增益,耦合因子,以及最小噪声系数等等。论文描述了所有寄生电容和电感效应，这些分析测试结果和方案对今后应用在RFIC中的全局优化高性能的变压器是非常有利的。 第四章将新型的多层螺旋差分电感用于集成压控振荡器（VCO）的设计，使振荡器的性能得到提高。该VCO是以CMOS 0.18 实现流片，并将应用新型差分电感的VCO与应用传统差分电感的VCO进行比较，前者的调谐范围增加了62.9％，而相位噪声几乎是一样的。 第五章详细研究了应用先进的TSMC 90nm 工艺，进行 8GHz和4GHz VCO的设计方法，并给出了相关的仿真结果。