射频和高速芯片无源元件的研究及其应用

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1、摘要随若现代通信系统的发展，后端的数字信号和前端的模拟信号的频率越来越高使得设计新的多功能集成电路越来越富有挑战性。另一方面，集成电路制造工艺和材料学的不断进步使得新型的有源器件能工作在更高的频率，更低的电压，更大的功率。·处在市场需求和芯片制造之间的集成电路设计业的发展往往落后予前两者，阻碍了高性能的器件用于最先进的通信应用中。获得这些新器件的模型是进行电路和系统设计的基础。芯片内除了有源器件还大量存在无源器件，包括传输线，电容，电感，变压器等等。它们的性能随着工作频率的提高越来越复杂，而且它们通常占用较大的面积，拥有较大的尺寸和复杂的连接结构。

2、先进的芯片制造工艺提供多层结构，这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，各种三维立体结构纷纷应用在这些高性能电路中。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，也是各大芯片制造商和电子设计自动化软件公司努力的方向之一。本文针对传输线和芯片电感这两个典型的使用最广泛的无源元件进行研究，一方面对它们建立适合电路设计的准确又高效率的模型，另一方面对芯片差分电感进行了优化设计。’，将平行多导体传输线视为无限长的二维问题，应用导体截面矩量法求取这种结构的分布参数。考

3、虑到参数随频率变化，导体截面被划分成小块以反映导体中非均匀的电流密度。在电流密度变化剧烈处加密划分而在变化缓慢处稀疏划分可以在保持精确度的情况下大幅度减少计算时间。文中的优化划分方法将原本需要三十分钟的计算时间缩短到一分钟以内，并保持并比较了它的精度。考虑到半导体衬底也将承担一部分回流电流，因此将它视为额外的一个导电率不同的接地导体一并放入多导体传输线结构，使得算法的通用性增强。矩形螺旋电感被划分成两组相互垂直的多导体传输线组，其转角部分的影响被内外导体的平均长度所替代。文中分析了平均长度对电感量和电阻的误差。应用二维传输线分布参数提取数值算法得到

4、多导体传输线组的分布参数，结合传输线组的长度，通过模式分解技术得到传输线组的网络参数。根据具体的连接顺序可以求出矩形螺旋电感的两端口网络参数。实验和仿真证明这样的简化近似并不降低模型的精确度而在计算量上大大降低。简化上惠交通大学博上学位论文的耦合线电感模型可用于快速估计电感性能。差分螺旋电感随着差分电路的普遍应用而显得格外重要。传统结构的差分电感不论平面还是垂直多层都是按顺序依次从外到内或者从上到下绕制。这样的绕制使得高低电压的导线相互耦合产生巨大的寄生电容，极大的限制了差分电感的性能。文中对差分电感重新设计，采用新的绕制顺序，使电压相近的导体相互

5、靠近从而降低了寄生电容。对于平面电感采用分组交叉结构，易于用两层互连实现；对于垂直电感采用最佳连接结构使寄生电容降到最低。新结构的差分电感在外部尺寸、低频电感量、制作工艺上都保持和传统结构一致，因此是传统差分电感的无牺牲改进。将新结构差分电感用于集成压控振荡器的设计，使振荡器的性能得到提高。．关键词——集成电路、芯片传输线、螺旋电感、差分电感、对称电感AbstractAlongwiththedevelopmentofmodemcommunicationsystem，theoperatingfrequencyofdigitalandanalogcir

6、cuitsbecomeshigher,whichchallengesthedesignforhigh-performanceintegratedcircuits．TheadvancedICfabricationprocessandmaterialtechnologymakethenovelactivedevicestooperateinahigherfrequency,alowervoltage，andahigherpower．TheICdesignindustry．whichiSbetweenmarketingrequirementandICfa

7、brication．iSalwayslessdeveloped．ThebasisofcircuitdesigniSthemodelofthecircuitelements．Besidesactivedevices，therearemanypassivedevicesinIC，includingtransmissionlines，capacitors，inductors，andtransformers．Theirperformancesareincreasinglycomplexwiththeincreasingoperatingfrequency，

8、largeareaoccupation．TheadvancedICfabricationprocessesprovidem