奈米CMOS之前瞻射頻類比電路設計

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1、奈米CMOS之前瞻射頻類比電路設計柯明道國立交通大學電子工程學系暨電子研究所計畫編號：NSC95-2221-E-009-277一、摘要，並合理解channellengthscaling與fingernumber對外在雜訊之影響。根據嚴格驗證過之sub-100nmMOSFE本整合型研究計畫集合國內從事電晶體射頻與本質模型與lossysubstratemodel，可精確地萃取出元類比元件模型之專家、無線傳輸電路設計之專家、射件內在的高頻雜訊。當元件由80奈米微縮至65奈米，頻頻率合成技術之專家、超寬頻濾波技術之專家、超其本質雜訊在10GHz時可

2、減少約0.2dB（0.7dB降至高速類比數位轉換技術之專家、以及積體電路可靠度0.5dB）。如此低的高頻雜訊證明了sub-100nm元件於技術之專家，共同成立研究團隊，從事『奈米CMOS高頻電路應用之潛力與優點。此成果也證明lossy之前瞻射頻類比電路設計』整合型研究計畫的研發工substratemodel在低雜訊與低功率射頻電路方面之應作，藉由各相關領域專家之合作，開發前瞻射頻類比用價值。電路之各種設計核心技術，以提昇國內積體電路設計產業之競爭力。本整合型研究計畫包含四個子計畫，被動元件部分為spiralinductor之模型研發，以分別

3、是（1）奈米CMOS高頻與類比元件模型研發、（2T-model為基礎，加上3Deddycurrenteffect，成為）奈米CMOS射頻類比電路之可靠度設計與研究、（3improvedT-model，有效改善超過共振頻率之寬頻準）奈米CMOS技術之20GHz~60GHz射頻前端關鍵性確性。此improvedT-model如圖二所示，由此模型解積體電路之研究與設計、（4）奈米CMOS積體電路之決了傳統π-model的缺點，並且其模型參數呈現極佳線類比數位轉換技術。性度，可有效預測geometry效應。此電感模型可改善寬頻模擬之準確性，而適用於

4、射頻電路設計。二、研究目的RtmlLtml本整合型研究計畫所發展的核心技術非常貼近rrCpad現今臺灣積體電路設計產業之實際需求，為目前國內LdRsiRsiRd積極推動的系統單晶片（Silicon-on-a-Chip,SOC）產DdbC’Csi,2Csi,1ds業中不可或缺的重要技術。本整合型研究計畫包含四CpCpRtmlLtmlLgRgrrrrLsiLsi個子計畫，分別是（1）奈米CMOS高頻與類比元件模CpadRbulkR’型研發、（2）奈米CMOS射頻類比電路之可靠度設計RsiRsidsDsbRs與研究、（3）奈米CMOS技術之20G

5、Hz~60GHz射Csi,1Csi,2CpCp頻前端關鍵性積體電路之研究與設計、（4）奈米CMOSrLsirLsirLs積體電路之類比數位轉換技術。子計畫（1）建立主動與被動元件之射頻與類比元件模型供子計畫（2）圖一FullcircuitschematicswithsubstrateRLCnetworklinkedwith至（4）設計時使用；子計畫（2）則在設計晶片與電intrinsicMOSFET.路板之間的介面供子計畫（3）、（4）使用；子計畫（3）設計射頻前端之積體電路，子計畫（4）設計超Rp高速類比數位轉換器，將類比訊號轉訊號成數位

6、訊號Z1，再提供給後段之數位基頻處理器。各子計畫之研究Cp成果將在以下各節中說明。LsRs⇒Z2Z3Cox1Cox2Rloss1Rloss2三、研究結果Lsub1Lsub2Z4（1）奈米CMOS高頻與類比元件模型研發RlossLsub(b)CsubRsub本子計畫為高頻元件模型之研發，包括主動與被動元件兩部分。主動元件為sub-100nmMOSFET，其Za⇓Zb成果為一套創新的lossysubstratemodel，如圖一所示(a)，可正確地模擬由sub-100nm元件量到的雜訊參數，Zc並萃取元件內在的高頻雜訊。此套方法已在80奈米元件

7、得到驗證，本子計畫以原有的lossysubstratemodelZ4(c)為基礎，進一步加強short-channelmodel之準確度，使雜訊模型於65奈米元件再次得到驗證。此lossysubstratemodel可正確地模擬頻寬達40GHz之S參數圖二ImprovedT-model（a）equivalentcircuitschematics,（b）and（c）schematicblockdiagramforcircuitanalysis.特性，成功地預測雜訊相關於頻率之異常非線性行為（2）奈米CMOS射頻類比電路之可靠度設計與研究在矽鍺

8、（SiGe）BiCMOS製程中適用於射頻電路之新追求更高的操作頻率、截止頻率（cutofffrequency型電源箝制電路，並具有較低的漏電流與較高的靜電）、以及功率增益（pow