RF+CMOS片上电感结构与其模型的分析

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1、杭州电子科技大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。论文作者签名：历牛日期：≯应年；月刃日学位论文使用授权说明本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论

2、文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。(保密论文在解密后遵守此规定)论文作者签名：指导教师签名：铆琳为垢泛日期：j啦年弓月2弓日日期：2口胆年弓月2岁日，以CMOS硅工艺为基础的射频集成电路得到极大的关注。片上电感作为射频电路中的重要无源器件，在可实现阻抗匹配、可调谐负载、反馈、滤波等功能，在单元电路中扮演着举足轻重的角色，其设计和优化已成为整个电路成功设计的关键之一。同时，在射频条件下，硅基片上电感的金属损耗和衬底损耗都会变

3、得相当严重，不但大大降低了它的品质因数，也给建立高精度的电感模型带来了很大困难。因此，在准确分析片上电感工作机理的基础上，建立合理的等效电路模型，高效地提取模型参数，从而准确表征电感电磁学特性随频率变化的情况，对于射频电路设计至关重要。本文研究重点是硅基在片电感的结构分析、建模建库和仿真设计。本文首先介绍了硅衬底集成电感的三种类型，即有源电感、键合线电感和金属互连线电感。随后分析了电感的电磁场特性，介绍了电感的性能参数，总结了损耗机制及建模方法等。电感的损耗机制着重讨论了金属损耗和衬底损耗。建模方法主要介绍了电磁场仿真、分段等效模型和紧凑的集总模型，并根据建模

4、的不同要求对这三类方法进行了比较。利用已有的改进型单兀模型，本文建立了一个电感scalable模型，即可缩放模型。该模型中所有元件参数值的公式都是基于电感线圈的填充密度。每个电感具有不同的填充密度，因此用包含它的等式来代表电感特性，公式简单，使用模型参数少，与其他文献中的scalable方程比较，该模型在优化系数总数量上大大减少，提高了建模建库工作的效率。在分析和总结了前人的工作基础上，本文提出了一个新的双兀可缩放模型。该模型采用了新的元件结构描述趋肤效应和邻近效应，即趋肤效应由三个尺也串联支路组成的并联网络模拟，用支路电感之间的互感来表示邻近效应。同时，由硅

5、衬底涡流效应引起的磁性衬底损耗也用一个尺Z串联支路表征。对于双兀等效电路，可缩放模型中元件初值均是根据版图和工艺参数，用具有物理意义的公式计算得到，通过添加一些优化系数来提高拟合精度。该模型主要提高了模型在高频时的精度，拓宽了模型的带宽。采用基于SMIC0．18岬IuCM0s工艺和华虹0．18岬RFCMOS工艺的平面螺旋电感分别对以上两个模型库进行验证。从结果来看，仿真和测试数据拟合良好，能够满足电路设计的要求。新双7r可缩放模型的验证结果显示大部分电脱和Q在直流~20GHz谐振点前的频率范围内误差不超过5％，具有很高的精度。最后，针对片上集成电感占据芯片面积

6、偏大的问题，本文提出了一种纵向螺旋电感，根据结构的不同，新型电感可分为单端、对称和叠层三种结构。随后介绍了电感的电磁场仿真步骤和软件的设置，并对比了仿真结果和测试结果。在此基础上，比较了纵向螺旋电感和平面螺旋电感的性能差异，从结果中可以看出，前者比后者节省了至少70％的芯片面积。关键词：cMoS，片上螺旋电感，改进型单7【模型，双冗模型，scalable模型，纵向螺旋电感h嬲becomeahotissueiIlreCentyears．ThedeVelopmentofCMOStecllll010斟ilIlproVemeper]f．o衄a11ceofthe缸彻si

7、stor，especiallywheIlfeanlresizesreducedt0de印su『bmicroneveIltodozensofnallometerleVel，meapplication五嗍ueIlcyofmillimeterwaveinte刚edcircuithasaChieVedmoreth雒0nehundredGHz．hlmisproxh竹e仃ectsinmeconductorandtheeddycaSe，theparasiticea’ectssuCh鹪tlleskinaIldc1瑚rentef王．ectiIlthe吼lbstratewillb

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