rf螺旋电感参数的提取方法

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1、第26卷第8期半导体学报Vol.26No.82005年8月CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSAug.,2005RF螺旋电感参数的提取方法王彦丰黄庆安廖小平(东南大学MEMS教育部重点实验室,南京210096)摘要:射频集成电路(RFIC)中电感元件十分重要,其模型是RFIC模拟的关键.在确定电感的电路模型后,要进行正确的设计和优化,还必须知道模型中各元件的参数.文中首先给出了电感结构的嵌入式和非嵌入式电路模型,然后从已知的S参数通过三种途径提取了模型中集总元件参数,并对三种途径提

2、取的元件参数进行了模拟,以便得到提取模型参数的最佳途径.关键词:螺旋电感;嵌入式模型;S参数EEACC:1280;2560中图分类号:TN4文献标识码:A文章编号:025324177(2005)0821591204关寄生和其他效应等,如涡电流效应、趋肤效应.理1引言想的电感只是存储磁能,而真实的电感存在着寄生电阻和寄生电容,寄生电阻通过欧姆损耗消耗能量,随着通信系统的发展,无线系统已经占有巨大而寄生电容存贮电能.集成螺旋电感的物理模型等市场.在集成的RF收发机中电感的需求越来越大,效电路如图1所示,虚线框

3、内是非嵌入式模型,考虑尤其是螺旋型电感.要获得高品质因数Q和自谐振压焊块在内为嵌入式模型.电感值Ls、串联电阻Rs、频率的螺旋电感,对其结构的分析和优化变得特别电感结构和其下面引回线间的电容Cs、电感结构和重要.文献[1～3]已做了较多的工作,但是,缺乏简衬底之间的电容Cox、电感结构下衬底等效电阻Rsi单和精确的元件参数公式,这对于螺旋电感的设计和电容Csi的计算公式见文献[4],压焊块和衬底间和优化显然成了主要的障碍之一.因此,从已测或模的电容Coxpad、压焊块下衬底等效电阻Rsipad和电容拟的参

4、数中提取简单和精确的元件参数公式,以预Csipad的计算公式如下测电感性能参数是十分必要的.12εox本文首先确定了螺旋电感结构的嵌入式模型和Coxpad=a(1)2tox非嵌入式模型,随后介绍了从模拟的S参数提取模12型中元件参数的三种途径:(1)根据传输线理论从SCsipad=2aCsub(2)参数获得传输常数和特征阻抗;(2)直接由S参数2Rsipad=2(3)获得A矩阵参数;(3)直接由S参数获得Y参数.对aGsub提取参数的模拟结果进行了分析和比较,得出优化式中Csub,Gsub为单位衬底电容和

5、电导;a为压焊块结构性能最简单和精确的参数提取方法.边长.图2为图1的简化模型等效电路.图中Cp和2RF螺旋电感的模型Rp也分为两种情况:在嵌入式模型中与Cox,Coxpad,Csi,Csipad,Rs和Rsipad有关;在非嵌入式模型中与精确的物理模型的建立关键在于是否能体现相Cox,Csi和Rsi有关,其计算公式见文献[5].王彦丰男,1977年出生,硕士研究生,主要从事MEMSRF器件和RF电路的设计.黄庆安男,1963年出生,博士生导师,主要从事MEMS器件和系统的研究.廖小平男,1966年出生,

6、硕士生导师,主要从事MEMSRF器件和系统的研究.2004210214收到,2005204205定稿Z2005中国电子学会1592半导体学报第26卷图1螺旋电感模型的等效电路Fig.1Equivalentcircuitmodelofspiralinductor图2螺旋电感模型的简化等效电路Fig.2Simpleequivalentcircuitmodelofspiralinductor元件参数的关系,再根据模拟所得S参数获得模型3模型参数提取方法电路A矩阵参数.A矩阵参数与元件参数的关系式为了优化设计电感

7、结构,获得高性能电感,提取如下:精确的电感模型的元件参数十分必要.下面介绍三Z=B≈Rs+jωLs(8)种提取模型元件参数的途径:Y1=(A-1)/B=1/Rp+jωCp(1)S参数→A矩阵参数→传播常数γ、特征阻此处忽略了Cs,因为它几乎不随频率变化.然后可抗Z0→Rs,Ls,Rp和Cp提取模型各元件参数.由A矩阵可得到γl和Z0,从而根据传输线理(3)S参数→Y矩阵参数→Rs、Ls、Rp和Cp论得到各元件参数.由图2(b)可直接推导出Y参数与模型各元件chγlZ0·shγl参数的关系,再根据模拟所得S

8、参数获得模型电路AB=shγl(4)Y参数.Y参数与元件参数的关系式如下:CDchγlZ0Y1=Y11+Y12=1/Rp+jωCp(9)式中l为电感结构的长度,由(4)式可得Z=-1/Y12≈Rs+jωLsγl=ln(A+BC)(5)然后可提取模型各元件参数.BZ0=(6)4模拟结果与分析C根据传输线理论可推导各元件参数如下:为了验证以上提取模型电路各参数,本文以一Rs=Re{γl·Z0}615匝的螺旋电感为例,通过三种途径分