硅基毫米波無源器件建模及鎖相環(huán)設計.pdf

1、隨著無線通信的快速發(fā)展和智能化手持電子設備的普及，人們對能夠支持每秒千兆比特傳輸速率的技術(shù)需求越來越迫切。傳統(tǒng)的無線通信模式和設備已經(jīng)難以滿足未來超高速、大數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)囊蟆Ｏ啾扔谖⒉l段，毫米波頻段不僅具有高速率，大容量等性能優(yōu)勢，還具有成本優(yōu)勢：在毫米波頻段中，60GHz頻譜資源可免費使用，從而使該頻段上的無線通訊經(jīng)濟成本有效降低。伴隨硅基工藝的快速進步，先進工藝節(jié)點下的晶體管特征頻率已超越毫米波頻段，從而硅基毫米波集成電路一方面

2、具備媲美傳統(tǒng)III-V族集成電路的性能，另一方面可以提供系統(tǒng)集成芯片（SoC）的解決方案，且成本低廉適合消費類電子產(chǎn)品的大規(guī)模量產(chǎn)。因此，掌握硅基毫米波芯片設計技術(shù)對我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展和健康持續(xù)的經(jīng)濟建設具有十分重要的意義。目前，工藝廠商僅提供30GHz以下頻段電感等效模型，不提供變壓器、巴倫等效模型。而無源器件作為硅基毫米波頻段集成電路的重要組成部分，是影響集成電路性能的關(guān)鍵器件，因此對無源器件進行準確的器件建模是設計毫米波集成電路

3、的重要基礎。鎖相環(huán)電路可為片上收發(fā)系統(tǒng)提供頻率信號，為無線通信收發(fā)機中的關(guān)鍵模塊。鎖相環(huán)性能會嚴重影響無線收發(fā)系統(tǒng)的質(zhì)量，因此，掌握鎖相環(huán)集成電路的設計至關(guān)重要。
　　本文以硅基工藝下電感、變壓器的物理模型為出發(fā)點，結(jié)合硅基襯底的損耗特性和毫米波頻段下無源器件的耦合特性，采用場路結(jié)合的分析方法，系統(tǒng)的研究了硅基毫米波頻段片上多個電感和六端口M:N變壓器的耦合效應及損耗特性，并提出了片上多個耦合電感和六端口M:N變壓器的等效集總參數(shù)

4、模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)提取方法，并通過基于180nm和90nm CMOS工藝的流片測試驗證。最后，基于180nm和65nm CMOS工藝，分別設計了2.8GHz至5.2GHz鎖相環(huán)集成電路和56GHz至64GHz壓控振蕩器集成電路。主要研究工作如下：
　　（1）硅基毫米波頻段片上多電感耦合模型研究：片上多個相鄰電感之間存在耦合效應，而傳統(tǒng)的片上單電感物理模型結(jié)構(gòu)無法表征片上多個相鄰電感的寄生效應和耦合特性。本文通過研究分析片上多個鄰近電感

5、的電耦合和磁耦合現(xiàn)象，提出用等效電容和等效互感的結(jié)合來表示相鄰電感間的電磁耦合現(xiàn)象，并以傳統(tǒng)單電感模型為基礎，發(fā)展并提出了新型片上多個含有耦合效應的電感等效集總電路模型。建立片上多個鄰近電感的電磁仿真結(jié)構(gòu)和測試結(jié)構(gòu)，通過電磁仿真和測試獲取片上多個相鄰電感的散射參數(shù)矩陣。通過對該散射參數(shù)矩陣的分析和處理，提出多電感等效集總電路模型的參數(shù)提取方法。所提出的等效模型和參數(shù)提取方法從低頻至120GHz范圍內(nèi)與實際測試和電磁仿真數(shù)據(jù)相吻合。

6、>　?。?）硅基毫米波頻段六端口M:N變壓器模型研究：在硅基電路中，片上變壓器中心抽頭可作為電源通路而發(fā)揮作用，而傳統(tǒng)變壓器等效模型為四端口模型，沒有考慮變壓器中心抽頭的影響。同時，傳統(tǒng)變壓器模型不能直接作為巴倫模型來使用。本文通過對六端口M:N變壓器結(jié)構(gòu)電磁耦合特性和損耗特性的研究分析，實現(xiàn)了硅基六端口M:N變壓器在毫米波頻段準確的等效集總電路模型和參數(shù)提取方法。變壓器初級和次級線圈的阻抗特性分別用兩節(jié)串聯(lián)支路模擬，用四組并聯(lián)支路模擬

7、變壓器的襯底損耗特性。變壓器初級和次級線圈的電耦合和磁耦合分別用等效電容和等效電感表示。該模型所有參數(shù)從六端口M:N變壓器電磁仿真散射矩陣中直接提取。通過與測試和電磁仿真數(shù)據(jù)對比，所提出的等效模型從低頻至100GHz能準確的描述硅基片上六端口M:N變壓器性能。
　　（3）硅基鎖相環(huán)電路設計：鎖相環(huán)作為收發(fā)電路系統(tǒng)的重要組成部分，無論在有線通信還是無線通信中都起著非常重要的作用。本文在鎖相環(huán)電路的基本組成和基本電路原理上，基于CMO