【摘要】：隨著射頻集成電路中片上系統(tǒng)(SOC)的迅速發(fā)展,低成本、易集成的片上螺旋電感成為了當(dāng)今研究熱點(diǎn)。片上螺旋電感可應(yīng)用于射頻集成電路的多個(gè)模塊中,它的性能直接影響電路的整體性能。但是,電感在高頻時(shí)的寄生效應(yīng)會(huì)對(duì)電感造成嚴(yán)重的性能損耗。因此,有效分析并建立片上螺旋電感的精確電路模型,掌握電感優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,是當(dāng)前電感研究的重要課題。本文首先研究了片上螺旋電感的一些基礎(chǔ)理論,并詳細(xì)分析了片上螺旋電感的主要損耗機(jī)制。針對(duì)傳統(tǒng)電感單π模型沒有考慮高頻寄生效應(yīng)的不足,提出了一種改進(jìn)式的電感單π模型。該模型用電感和電阻的并聯(lián)結(jié)構(gòu)來表示電感高頻時(shí)的趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng),用電阻、電感串聯(lián)后與電容并聯(lián)的結(jié)構(gòu)來模擬襯底單向耦合。采用二端口網(wǎng)絡(luò)分析法、結(jié)合了擬線性函數(shù)法及線性擬合法提取出電路中各個(gè)元件值。在給定頻率范圍內(nèi)對(duì)電感在HFSS下的電磁仿真結(jié)果、傳統(tǒng)電感單π模型與改進(jìn)式電感單π模型主要性能指標(biāo)的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明改進(jìn)型單π模型的精確度比傳統(tǒng)單π模型精確度高。在較寬頻帶內(nèi),單π模型的精確度仍達(dá)不到要求,因此,本文繼續(xù)研究了電感雙π模型,并提出了一種簡(jiǎn)化的改進(jìn)式電感雙π模型。采用與單π模型同樣的方法進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明,改進(jìn)式電感雙π模型能更好地反映出電感的實(shí)際工作狀態(tài)。利用提出的改進(jìn)式電感雙π模型,通過仿真分析了片上螺旋電感的線圈參數(shù)(匝數(shù)N、內(nèi)徑D、間距S、線寬W、厚度t)對(duì)電感性能產(chǎn)生的影響,總結(jié)了電感線圈參數(shù)優(yōu)化的方法。最后,基于0.25μm GaAs pHEMT工藝,設(shè)計(jì)了一款6~12GHz超寬帶低噪聲放大器,使用本文提出的螺旋電感模型,仿真分析了該放大器的幾個(gè)重要性能參數(shù),從仿真結(jié)果可以看出,在給定的頻率范圍內(nèi),放大器功率增益G大于20dB,噪聲系數(shù)NF小于1.9dB,回波損耗S11優(yōu)于-7dB,輸出1dB增益壓縮點(diǎn)P1dB大于10.6dBm,滿足設(shè)計(jì)要求。
【圖文】：

不同形狀電感

我們以使用最廣泛的方形螺旋電感為例分析其結(jié)構(gòu)，如圖2.2 所示。圖 2.2 方形平面螺旋電感圖 2.2 所示是最常見的方形平面螺旋電感示意圖，，從圖中可以看出，最上層的金屬線圈繞制而成的部分是電感的本征繞組，電感線圈最外端的引出部分是共面引出線，電感線圈最內(nèi)圈的引出部分叫做下引出線，金屬線圈與下引出線之間有一個(gè)通孔（Via）用于連接。圖 2.3 所示為平面螺旋電感的橫截面圖，dout表示電感線圈的外徑、din表示電感線圈的內(nèi)徑、W 表示電感線圈的寬度、S 表示電感線圈的間距。螺旋電感的下方是氧化層，氧化層下方是導(dǎo)電的 GaAs 襯底。線圈和下引出線間的間距很近，所以寄生電容很大。通過一個(gè)厚度較大的場(chǎng)區(qū)氧化層（Field Oxide），增加電感線圈與襯底之間的距離，能夠有效降低高頻時(shí)襯底耦合效應(yīng)。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN47

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

1 程曦;邱義杰;;6～18GHz小型化低噪聲放大器的設(shè)計(jì)[J];微波學(xué)報(bào);2012年05期

2 韋家駒;王志功;李智群;;Direct extraction of equivalent circuit parameters for on-chip spiral transformers[J];半導(dǎo)體學(xué)報(bào);2012年01期

3 黃志忠,殷曉星,崔鐵軍,洪偉;砷化鎵襯底上螺旋電感的建模和分析[J];微波學(xué)報(bào);2005年S1期

4 施超,莊奕琪;CMOS射頻集成電路中器件模型的研究[J];微電子學(xué);2002年06期

相關(guān)會(huì)議論文 前1條

1 倪圍;倪國(guó)旗;張濤;;微波電路的發(fā)展[A];2011年全國(guó)微波毫米波會(huì)議論文集（下冊(cè)）[C];2011年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 王燕玲;Ku波段單片低噪聲放大器研究[D];南京理工大學(xué);2007年

2 任軍;硅基片上螺旋電感建模及其在射頻芯片中的應(yīng)用[D];電子科技大學(xué);2007年

本文編號(hào)：2605017