RF-CMOS片上螺旋电感模型及模型库的开发

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1、杭州电子科技大学硕士学位论文RF-CMOS片上螺旋电感模型及模型库的开发研究生：邹欢欢指导教师：孙玲玲教授IlUlIIIIUlIIIIIIIJY1909107DissertationSubmittedtoHangzhouDianziUniversityfortheDegreeofMasterTheDevelopmentofModelandModelLibraryforRF--CMOSOn·-chipSpiralInductorsCandidate：ZouHuanhuanSupervisor：ProfessorSunLinglingDecember，2010杭州电子科技大学学位论文原创

2、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：匀它耿日期：弦f1年i月17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，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学

3、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：刍f艰欢、指导教师签名：≯缴日期：即11年1月J7日日期：年月日杭州电子科技大学硕士学位论文摘要随着硅集成电路技术和无线通讯市场的快速发展，以系统级芯片为趋势的硅基射频集成电路(RFIC)逐渐以低成本、低功耗等优势崛起。电感作为重要的无源器件，在电路中可实现阻抗匹配、可调谐负载、反馈、滤波等功能，在RFIC单元电路如低噪声放大器(LNA)、压控振荡器(vco)、混频器(Mixer)、滤波器(Filter)、功率放大

4、器(PA)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。在标准CMOS工艺中，由于硅衬底是有损耗的，使得硅基片上螺旋电感的品质因数普遍不高。同时，以硅材料为衬底的电路，其工作性能也会因为随工作频率上升而出现的各种损耗(尤其是衬底损耗)而恶化。目前，随着工艺尺寸的减小，射频集成电路的应用频率越来越高，可达到几十甚至几百GHz。在如此高的频率下，电感中的高频寄生效应，如金属的趋肤效应、邻近效应以及衬底的涡流效应等，都会变得非常严重，这也为准确建立电感模型增加了难度。因此，有效地分析并获得硅衬底在片螺旋电感的电路模型及其参数，掌握电感性能随工作频率改变的特性，以用于

5、电感的设计和优化，已成为实现硅衬底射频／毫米波集成电路的一个非常重要的课题。本文主要研究硅衬底在片螺旋电感的分析、仿真和建模。本文首先介绍片上螺旋电感相关的基础知识，包括电感的结构、性能参数、损耗机制和建模方法等。在电感的损耗机制中，本文着重介绍两大损耗，即金属损耗和衬底损耗。建模方法主要分析了电磁场仿真和等效电路模型，并总结了它们的优缺点和适用范围。在总结和对比了现有的等效电路模型之后，本文提出了两个新模型，它们分别是单7【和双7c模型。新的单兀模型是一个宽带模型，采用一个横跨在两个端口之间、与直流电感相耦合的—R-LC网络来表征涡流效应，同时在传统的R．C衬底网络中串联一个RZ并

6、联支路来表征衬底损耗。该模型主要提高了单7c模型在高频时的精度，拓宽了模型的带宽。新的双兀模型改变了趋肤效应和邻近效应的描述方式。模型中用一个由三个RZ串联支路组成的并联网络来描述趋肤效应，邻近效应则用它们相互之间的互感来表示。同时，新的单兀模型中的衬底网络也适用于该模型，可以拓展其带宽。最后，本文利用已见诸于报道的单兀和双7t模型以及本文提出的双7t模型，建立了三个电感scalable模型，即模型库。这三个模型库可分为两种类型：(1)基于已见诸于报道的单兀和双兀模型的电感模型库，我们采用了经验的方法，先对一批电感进行参数提取和优化，再总结模型中各元件参数值的规律，用与尺寸相关的数学

7、公式来表示等效电路元件值。(2)基于本文提出的双7c模型的电感模型库，我们采用了物理的方法，模型中的元件值均用它们的物理公式表示，这些公式与电感的版图尺寸和工艺参数有关。在此基础上，我们再添加～些优化系数来提高拟合精度。文中两个新模型和三个模型库均采用基于SMIC0．18I_tmRFCMOS工艺的平面螺旋电感进行了验证，电感的测试频率从DC到40GHz。从仿真和测试的对比结果来看，新模型和模l杭州电子科技大学硕士学位论文型库的拟合精度较高，符合电路设计中的